国产商用密码算法及其相关标准介绍

谢宗晓 董坤祥 甄杰

1 概述

《中华人民共和国密码法》第六条中规定：密码分为核心密码、普通密码和商用密码。同时，在第七条和第八条中规定：核心密码、普通密码属于国家秘密，商用密码用于保护不属于国家秘密的信息。因此，在常见应用中，商用密码得到了大面积的推广，以至于，在实践中，提到“国密”，经常就被默认为国产商用密码算法。

在现代密码系统中，密码算法、密码协议和密钥管理是三个不可或缺的部分，而在这三者之中，最为核心的毫无疑问就是密码算法。虽然实践证明，绝大部分的安全漏洞都产生于实现和部署过程中，但是，算法的安全与否，直接决定了一个密码系统的基础是否安全。例如，选用SHA-1、MD4、MD5、RC4和密钥长度小于2048位的RSA等不安全的算法，不可能实现安全的密码系统。

已经发布的国产商用密码算法，按照类别可以分为：1）对称密码算法，主要包括ZUC和SM4;2）非对称密码算法，主要包括SM2和SM9;3）密码杂凑算法，主要包括SM3。

2 对称密码算法

对称密码（symmetric cryptography）是用相同的密钥（或方法）进行加密解密，这在逻辑上非常清晰，也最直观，有时候也被称之为共享密钥密码，对称密码算法的基本过程如图1所示。

已经发布国产商用密码算法中属于对称密码算法的有ZUC和SM4。

ZUC（祖冲之密码算法）属于序列密码，也称为“流密码”，与之类似的国外密码算法如RC41）。ZUC对应的国家标准、行业标准，如表1所示。

SM4属于分组密码，也称为“块密码”，与之类似的国外密码算法如DES（数据加密标准），TDEA/3DES（三重数据加密标准）以及AES（高级加密标准）等。SM4对应的国家标准、行业标准，如表2所示。

在安全性上，SM4-128与AES-128差不多，当然，AES支持更高的安全强度。但是SM4具备一个很优良的特征，加密和解密的过程基本相同，只需要将密钥的顺序倒置即可实现，AES算法的加密算法和解密算法则不一致。存在类似数学特征的算法，又如，用于公钥加密和数字签名的RSA算法，两者存在完美的逆序。

3 非對称密码算法

公钥密码又称为非对称密码（asymmetric cryptography），最典型的公钥密码用法是，发送者用公钥加密，接收者用私钥解密。公钥一般是公开的，不必担心窃听，私钥又不存在传输的问题。这个思路创造性地解决了对称密码中难以处理的密钥配送问题2）。用于传输消息的公钥密码工作过程如图2所示。

已经发布国产商用密码算法中属于对称密码算法的有SM2和SM9。

SM2为椭圆曲线密码（Elliptic Curve Eryptography，ECC）算法，其数学基础为椭圆曲线离散对数问题。RSA算法，其数学基础为大整数的质因数分解。两者比较，椭圆曲线密码算法所需要的密钥长度比较短，也就是说，同样的密钥长度，椭圆曲线密码可以提供更高等级的安全。SM2对应的国家标准、行业标准，如表3所示。

基于SM2算法的数字签名技术，在国内，尤其是金融行业等，数字认证领域已经得到广泛的应用，逐步替代了基于RSA算法的数字签名。

SM9为标识密码（Identity-Based Cryptograph，IBC）算法，标识密码算法主要为了解决传统PKI（Public Key Infrastructure，公钥基础设施）体系中存在大量数字证书的交换问题，由于标识密码中，公钥是基于用户的唯一特定的身份标识，这样就不再依赖于数字证书，即不再依赖于签名的公钥。SM9对应的国家标准、行业标准，如表4所示。

SM9中的数字签名算法基于椭圆曲线对实现，其安全性是基于椭圆曲线双线性映射的性质，目前业界尚未发现显著影响双线性对密码系统应用的安全性风险，就安全性而言，SM9高于同类算法。

4 密码杂凑算法

密码杂凑算法也被称作“杂凑算法”“散列算法”或“哈希算法”。在GM/Z 4001—2013《密码术语》中，上述几个术语对应的英文都是hash algorithm，其主要功能是将任意长度的比特串映射到固定长的比特串。

已经发布国产商用密码算法中属于密码杂凑算法的有SM3，SM3对应的国家标准、行业标准，如表5所示。

国外密码杂凑算法主要有MD5和SHA（Secure Hash Algorithm，安全杂凑算法）系列，如上文所述，MD5和SHA-1已经证明不安全，虽然目前尚未发现对SHA-2有效攻击方法，但是鉴于SHA-1和SHA-2结构相似，从2012年开始，NIST宣布了新的杂凑算法SHA-3。

5 小结

综上所述，目前发布的国产商业密码算法主要包括ZUC、SM2、SM3、SM4和SM9，其类型涵盖了对称密码算法、非对称密码算法和密码杂凑算法，基本可以满足日常应用的需要，无论是在算法的安全性上，还是在算法效率上，都比国外密码算法要更胜一筹。

（注：本文仅做学术探讨，与作者所在单位观点无关）

参考文献

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[5] 谢宗晓，董坤祥，甄杰.公钥基础设施（PKI）的发展过程及其架构[J].中国质量与标准导报， 2020（5）：17-20.