第2章 密码学基础与国密算法简介

密码学这东西，我在刚开始做审计日志的时候总觉得是“别人的事”。后来被客户问了一句“你的日志签名用的什么算法”，我才意识到不懂密码学根本没法设计可靠的审计系统。说白了，审计日志的安全根基，就扎在密码学算法上。

这一章我们只聊最核心的东西：对称/非对称加密、哈希函数，以及国密 SM2、SM3、SM4 的原理和用法。不废话，直接上干货。

2.1 密码学基础回顾

我习惯把密码学的基础分成三块，你想想看，所有安全场景都离不开它们：

• 对称加密：加密和解密用同一个密钥。快，适合大量数据。
• 非对称加密：有公钥和私钥，公钥加密私钥解密。慢，适合密钥交换和数字签名。
• 哈希函数：把任意长度数据变成固定长度的摘要。不可逆，用于完整性校验和密码存储。

2.2 国密算法概览

国密算法是国家密码管理局发布的标准，在审计日志场景中，我用得最多的是这三个：

为什么要用国密？合规是硬性要求。但更重要的是，它们的密码学强度经过严格论证，我个人觉得在同等安全级别下，SM2 的椭圆曲线比 RSA 更轻量，SM3 比 SHA-256 更安全，SM4 的硬件实现效率也很高。

2.3 算法原理简析

SM2

SM2 基于椭圆曲线离散对数问题。它的核心是：给定基点 G 和公钥 Q = d·G（d 是私钥），想从 Q 反推 d 极难。签名时，用户用私钥对消息哈希做运算，验证者用公钥验签。我曾经在改造一个老系统时，遇到签名长度变长的问题（SM2 签名是 64 字节，而 RSA 签名是 128 字节），反而节省了存储空间。

SM3

SM3 是密码杂凑算法，输出 256 位。算法结构类似 SHA-256，但增加了更复杂的消息扩展和压缩函数，抗碰撞性更强。在审计日志中，我常用 SM3 构造哈希链——每条日志记录包含前一条的 SM3 哈希值，这样任何篡改都会破坏链的连续性。

SM4

SM4 是 128 位分组密码，密钥长度也是 128 位。它采用 Feistel 结构，轮函数包含非线性变换（S 盒）和线性变换。加密速度非常快，适合加密大规模的日志数据。注意分组密码需要选择合适的工作模式，比如 GCM（伽罗瓦计数器模式）可以同时提供机密性和完整性校验。

2.4 在审计日志场景中的应用

把这些算法组合起来，就能搭建一套可靠的审计日志保护体系：

1. 日志签名：使用 SM2 私钥对每条日志的 SM3 摘要签名，验证方用公钥验签。防伪造和抵赖。
2. 日志加密：使用 SM4 对称密钥加密日志正文，然后用 SM2 公钥加密这个对称密钥（混合加密）。兼顾速度和安全性。
3. 完整性链：每条日志的 SM3 摘要包含上一条日志的摘要，形成链式结构。任何篡改都会断裂。

2.5 核心关系图

下面这张图帮你理清密码学基础与国密算法在审计日志中的角色：

2.6 几个实用建议

• 密钥管理比算法本身更重要。我曾经见过一家公司 SM2 私钥硬编码在配置文件里，直接用明文保存。再强的算法也白搭。
• SM4 一定要用认证加密模式，比如 GCM 或 CCM。审计日志如果只加密而不校验完整性，攻击者可以替换整个密文。我有一次安全审计就发现了这个问题。
• 哈希链的节点要包含时间戳和顺序号，否则单纯链式哈希容易遭到重放攻击。我习惯在每条日志的 SM3 输入中加入“前一条哈希 + 时间戳 + 日志内容”。
• 签名操作要原子化：计算哈希、签名、写入日志这三步必须是一个事务。失败就回滚，避免产生半条签名的日志。