国密算法技术介绍-6W100-整本手册.pdf
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国密算法
技术介绍
简介
为了建设行业网络安全环境，增强我国行业信息系统的“安全可控”能力，国家密码管理局发布了一系列国产商用密码
标准算法，包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖冲之密码算法（ZUC)等。SM1、SM4、
SM7、祖冲之密码（ZUC）属于对称算法；SM2、SM9属于非对称算法；SM3属于哈希算法。基于国密算法使用的
推广普及，目前国密算法已广泛应用于金融、电子政务及安防等领域，提供身份认证和数据加密等服务。
本文主要介绍SM1、SM2、SM3、SM4四种国密算法。
SM系列国密算法
SM2是一种ECC椭圆曲线公钥密码算法，属于非对
称加密算法，即加密和解密使用不同密钥 。ECC椭
圆曲线计算复杂性高，破解难度大，因此SM2算法在
密钥协商和鉴别系统等安全技术领域起着关键的作用。
SM1是一种分组加密算法，属于对称加密算法，即加
密和解密使用相同密钥。SM1算法不公开，仅以IP核
的形式存在于芯片中。该算法已广泛用于研制智能IC
卡、智能密码钥匙、加密卡等安全产品。
SM4是一种分组加密算法，属于对称加密算法，即加密和解密使用相同密钥。分组加密算法是将明文数据按固定
长度进行分组，用同一密钥逐组加密，密文解密时同样使用相同密钥逐组解密。SM4分组加密算法实现简单，因
此加解密速度较快，消耗资源少，主要用于加密静态储存或数据信号传输通道中的数据。
端到端的IPSec隧道技术
1. 在IKE密钥协商阶段，使用IKE协议进行密钥协商过程中，采用SM2算法生成会话密钥。
2. 在身份认证阶段，本端使用SM2和SM3算法生成身份信息的数字签名，并使用SM1或SM4算法和会话密钥对
身份信息和数字签名进行加密；对端收到加密的身份信息后，使用相同的会话密钥解密，然后通过SM2和SM3
算法进行身份认证。
3. 在数据传输阶段，本端使用SM2和SM3算法生成用户数据的数字签名，并使用SM1或SM4算法以及会话密钥
对用户数据和数字签名进行加密；对端收到加密的用户数据后，使用相同的会话密钥解密，然后通过SM2和
SM3算法进行数据完整性检查。
典型应用场景
种类 实现方式 对应的国际算法 与国际算法对比
SM1 硬件实现加密 DES/AES
安全强度与
AES相当，高于DES
SM2 软件&硬件实现加密 RSA
算法更复杂，安全性更高，密钥生成及加解
密速度更快
SM3 软件&硬件实现加密 SHA
摘要更长，安全性更高
SM4 软件&硬件实现加密 DES/AES
分组长度及密钥长度与
AES相同，大于
DES
；加解密速度和安全性高于DES
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SM3是一种摘要算法，属于哈希算法，可以通过哈希函数将任意长度的消息压缩成固定长度的摘要。摘要具有唯
一性，即不同信息生成的摘要不同，且无法由摘要恢复出原始信息，更无法伪造信息获得相同摘要，因此SM3算
法被广泛应用在数字签名、数据完整性检测及消息验证等领域。
SM1
SM2
SM3
SM4
算法对比
IP核（Intellectual Property core，知
识产权核），是一种预先做好的集成电
路功能模块，可在芯片设计中直接使用。
下图为基于SM2算法进行会话密钥协商的过程。
下图为使用SM4算法进行分组加密的过程。
IPsec网关
企业总部
IPsec网关
身份认证
IPsec隧道
IKE安全通道
IKE密钥协商
数据传输
企业分支
Internet
SM2
SM1/SM4+SM2+SM3
SM1/SM4+SM2+SM3
IKE安全通道
① 会话双方生成自己的随机数。
② 会话双方由随机数、椭圆曲线参数G各自计算出公开值。
③ 双方将自己的公开值传递给对方，传递过程公开。
④ 用户将自己的随机数与对方的公开值进行运算，双方得
到相同的会话密钥，密钥协商过程结束。
下图为使用SM3算法和SM2算法对用户A的数据进行数字签名认证及完整性检测的过程。
使用用户A
的私钥加密
3
哈希函数
数据
摘要A
数字签名
数据
哈希函数
摘要A’
数字签名
使用用户A
的公钥解密
摘要A
用户A
用户B
用户A发送的数据经过哈希运算生成摘要A
摘要A经过用户A的私钥加密生成数字签名
1
2
收到的数据包中的数据经过哈希运算生成摘要A’
4
使用用户A的公钥解密数据包中的数字签名
5
SM2算法
用户A的数据和数
字签名被打包发送
SM3算法
• 解密成功，数据来源合法，得到摘要A
• 解密失败，数据来源非用户A，需要丢弃
OK
NO
对比摘要A和摘要A’
• 摘要A’＝摘要A，数据完整
• 摘要A’≠摘要A，数据被篡改，需要丢弃
6
对比摘要A和摘要A’
① 将明文按固定长度分组。
② 明文分组1与初始向量进行逻辑运算。
③ 对明文分组1与初始向量逻辑运算后的数据用密钥进行加密，得到密文分组1。
④ 对明文分组2与密文分组1进行逻辑运算后的结果用密钥加密，得到密文分组2。
⑤ 同理，剩余的明文分组依次与前一个密文分组进行逻辑运算后再加密，得到对应的密文分组。
⑥ 完整的密文由所有密文分组按序排列组合而成。
随机数a
随机数b
公开值A=a*G
公开值B=b*G
会话密钥Q=a*B
会话密钥Q’=b*A
Q=a*B=a*b*G=b*G*a=b*(a*G)=b*A=Q’
共享参数G：椭圆曲线基点
由公开值、G无法倒推出随机数
交换公开值
1
2
3
4
1
2
① 将密文按固定长度分组后，对密文分组进行倒序处理。
② 对密文分组n先使用用密钥进行解密。
③ 密文分组n解密后的数据与密文分组n-1进行逻辑逆运算，得到明文分组n。
④ 同理，剩余的密文分组解密后再与前一个密文分组进行逻辑逆运算，得到对应的明文分组。
⑤ 最后，密文分组1用密钥解密后的数据是与初始向量进行逻辑逆运算，然后得到明文分组1。
⑥ 完整的明文由所有明文分组按序排列组合而成。
下图为使用SM4算法进行分组解密的过程。
明文分组n-2
明文分组2明文分组1
明文分组n-1
初始向量
密文
明文
逻辑逆运算
明文分组n
密文分组n-1
密文分组n
密文分组n-2
密文分组2
密文分组1
第一个分组无密文参与运
算，会分配一个初始向量
密钥解密
明文分组生成方向
1
2
3
密文分组
密文分组3
密文分组2密文分组1
密文分组n-1
初始向量
明文
密文
密钥加密
密文分组n
明文分组n-1
明文分组n
明文分组3
明文分组2
明文分组1
第一个分组无密文参与运
算，会分配一个初始向量
逻辑运算
密文分组生成方向
1
2
3
明文分组
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4G/5G VPDN组网应用
4G/5G VPDN（Virtual Private Dialup Network，虚拟专有拨号网络）业务是在4G/5G无线网络中采用拨号方
式实现的一种虚拟专有网络业务。它利用L2TP技术为客户构建与互联网隔离的隧道，以满足客户分支和总部内网
通信的需求。VPDN组网同时支持将L2TP和IPsec技术结合，通过L2TP完成用户认证确保接入安全，并利用
IPsec保障通信数据安全。
1. 4G/5G VPDN组网中分支网关由4G/5G路由设备担任，通过拨号接入运营商网络。
2. 运营商对4G/5G路由设备的APN（Access Point Name，接入点名称）、账户、SIM/USIM卡信息进行认证。
3. 4G/5G路由设备认证通过后被运营商判断是VPDN用户，同时由运营商AAA服务器向LAC（L2TP Access
Concentrator，L2TP访问集中器）设备下发L2TP隧道属性，LAC设备将基于下发的L2TP隧道属性信息向
该VPDN用户所属总部的LNS（L2TP Network Server，L2TP网络服务器）设备发起隧道建立请求。
4. L2TP隧道建立后，LAC设备会通过此隧道向LNS设备透传用户的认证信息。LNS设备向总部内网的AAA服务
器发起对VPDN用户的二次认证，认证通过后为VPDN用户分配一个企业内网IP地址。分支终端用户和总部可
以开始通信。
5. 分支网关与总部网关设备上均安装有国密板卡，通过IPsec协商建立起端到端的IPsec隧道，使用国密算法对传
输的数据报文进行加密保护和数据完整性检查。
6. 经IPsec加密后的数据报文在LAC设备处进行L2TP封装后，通过L2TP隧道传输到LNS。
7. LNS收到数据报文后首先对L2TP报文进行解封装，然后经过IPsec解密还原出数据报文，根据报文目的IP地址
转发报文。
总部网关
LNS
BRAS接入网关
LAC
接入专线
AAA服务器
SM1/SM4+SM2+SM3
SM1/SM4+SM2+SM3
分支网关
IPsec 隧道
L2TP隧道
移动基站
终端
运营商AAA服务器
总部网络
IPsec over L2TP
分支
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