第一章 国密算法概述：SM2、SM3、SM4、SM9 的基本原理与应用场景
要讲国密 SDK 适配，咱们得先把这四位主角认清楚——SM2、SM3、SM4、SM9。说白了，它们就是国家密码管理局推的一套密码算法标准，跟国际上的 RSA、AES、ECC 打擂台。我在好几个金融项目中都遇到过客户指定必须用国密算法，所以这块儿你早晚得碰。
1.1 国密算法到底是什么？一个快照
国密算法不是单个算法，而是一组标准，覆盖了非对称加密、对称加密、哈希、数字签名、密钥交换等。我个人习惯把它们分成两类：SM2、SM9 是公钥密码，SM4 是对称密码，SM3 是哈希函数。你想想看，一套完整的密码体系，这几样缺一不可。
下面这张图给了个全景印象，看一眼就能明白它们在密码体系里的位置。
1.2 SM2：椭圆曲线公钥密码算法
SM2 是国密体系里的“公钥王牌”。它基于椭圆曲线密码（ECC），具体用的是两条 256 位素域曲线。你想想看，它既能做数字签名，也能做密钥交换，还能做公钥加密，一个算法顶三个活。
主要原理
- 密钥对：私钥是一个 256 位随机大整数，公钥是椭圆曲线上的一个点。
- 签名：SM2 签名过程使用了用户 ID 和哈希值，跟国际 ECDSA 不太一样。我曾经踩过一个坑：SM2 签名结果是多了一个
s的杂凑变换，导致直接拿 ECDSA 验证库去验，死活验不过。 - 加密：采用混合加密（KDF + 对称加密），输出密文比明文长不少。
典型应用场景
| 场景 | 说明 |
|---|---|
| 数字证书 | 国密 SSL/TLS 证书的签名和验证，替代 RSA |
| 电子签章 | 政务、金融系统中的合同/公文签名 |
| 密钥协商 | 安全通信信道建立，比如国密 VPN |
1.3 SM3：密码杂凑算法
SM3 就是个哈希函数，输出 256 位（32 字节）摘要。它的结构与 SHA-256 很像，但不是一回事。SM3 有自己的消息扩展和压缩函数，安全性经国家密码管理局评审过。
说白了，SM3 就干一件事：给你一串数据，还你一个固定长度的指纹。改掉原始数据一丁点，指纹就变得面目全非。
主要原理
- 输入任意长度消息，输出 256 位摘要。
- 使用 Merkle–Damgård 结构，每 512 位分组处理。
- 比 SHA-256 多了一轮消息扩展，计算量大约多 10~15%。
典型应用场景
- 数字签名中的消息摘要：SM2 签名之前先对消息做 SM3 哈希，再签哈希值。
- 完整性校验：下载文件后计算 SM3 摘要，跟官方公布的比对——我在某政务项目里就用它校验安装包。
- 口令存储（加盐）：虽然 SM3 不是专门为加盐设计的，但配合随机盐可以做口令哈希。
java.security.MessageDigest 时，如果用的是 Bouncy Castle 提供的 SM3 算法名，记得确认 provider 版本在 1.68 以上，否则可能找不到。1.4 SM4：分组对称加密算法
SM4 是国密里的对称加密担当。它是个 128 位分组、128 位密钥的 Feistel 结构算法，跟 AES 的地位相当。你可能在项目里用过 AES，那 SM4 就是它的“国密亲戚”。
主要原理
- 分组大小 128 位，密钥长度 128 位。
- 32 轮非线性迭代，每轮用 S 盒进行字节替换。
- 支持 ECB、CBC、CFB、OFB、CTR 等常见工作模式，也支持 PKCS#7 填充。
典型应用场景
| 场景 | 常见做法 |
|---|---|
| 国密 TLS/SSL | SM4-SM3 密码套件（如 ECC-SM2-SM4-SM3） |
| 数据库字段加密 | 用 SM4-CBC 加密敏感数据，密钥保存在硬件加密机中 |
| 文件加解密 | 大数据量场景，配合 SM2 进行密钥协商，然后用 SM4 加密实际内容 |
1.5 SM9：基于身份的密码算法
SM9 是我觉得最酷的一个——它不需要证书。你想想看，传统公钥密码得先有个 CA 给你颁发证书，还要做证书链校验，多麻烦。SM9 直接拿你的标识（比如邮箱、手机号、身份证号）当公钥，私钥由密钥生成中心（KGC）分发。
它的数学基础是双线性对（Weil 对 / Tate 对），说白了比普通椭圆曲线多了一层“配对”操作，计算量更大，但功能也更强。
主要原理
- 系统参数由 KGC 生成，包含主密钥和公开参数。
- 用户 Bob 的私钥 = KGC 用主密钥和 Bob 的标识计算出来的。
- Alice 可以用 Bob 的标识（例如
bob@example.com）直接加密数据，Bob 用自己的私钥解密，全程不需要证书。
典型应用场景
- 邮件加密：发件人知道收件人邮箱就能加密，省去证书分发。
- 物联网设备身份认证：设备 MAC 地址或序列号作为标识，KGC 预置私钥，设备出厂即具备加密能力。
- 无证书数字签名：适合需要撤销证书中心的轻量级场景。
| 算法 | 类型 | 安全强度 | 典型速度（相对） | 证书依赖 |
|---|---|---|---|---|
| SM2 | 公钥（ECC） | 128 位 | 中等（签名快，验签略慢） | 需要 |
| SM3 | 哈希 | 128 位 | 较快（~SHA-256的 80%~90%） | 无 |
| SM4 | 对称 | 128 位 | 很快（几百 MB/s） | 无 |
| SM9 | 公钥（标识） | 128 位 | 慢（配对运算，约 SM2 的 1/3~1/5） | 无（需 KGC） |
1.6 如何选择应用组合：三个实战例子
- 金融数据传输：客户端用 SM2 从 KGC 获取加密后的 SM4 会话密钥，然后用 SM4-CBC 加密交易数据。服务端用 SM2 解密得到 SM4 密钥，再用 SM4 解密数据。全程 SM3 校验完整性。
- 电子病历签名：医生用 SM2 对 SM3 摘要签名，同时用 SM9 加密病历内容（以患者身份证号为标识），实现“签名 + 加密”双保险。
- 物联网固件升级：固件发布方用 SM3 计算固件摘要，然后用 SM2 签名摘要。设备内置 SM2 公钥验签，验通过后再用 SM4 解密固件内容（固件本身通过 SM4 加密传输）。