盤點我國商用密碼算法,誰將會成為5G通訊的標準商密?

為了保障商用密碼的安全性,國家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標準,包括SM1(SCB2)、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖沖之密碼算法(ZUC)等。

其中SM1、SM4、SM7、祖沖之密碼(ZUC)是對稱算法;SM2、SM9是非對稱算法;SM3是哈希算法。目前,這些算法已廣泛應用於各個領域中。

盤點我國商用密碼算法,誰將會成為5G通訊的標準商密?

SM系列國家密碼算法

其中SM1、SM7算法不公開,調用該算法時,需要通過加密芯片的接口進行調用;比較少人瞭解這些算法。

1 、SM1對稱密碼

SM1 算法是分組密碼算法,分組長度為128位,密鑰長度都為 128 比特,算法安全保密強度及相關軟硬件實現性能與 AES 相當,算法不公開,僅以IP核的形式存在於芯片中。

採用該算法已經研製了系列芯片、智能IC卡、智能密碼鑰匙、加密卡、加密機等安全產品,廣泛應用於電子政務、電子商務及國民經濟的各個應用領域,多數IC卡都會用到這個SM1密碼算法。

2、 SM2橢圓曲線公鑰密碼算法

SM2算法就是ECC橢圓曲線密碼機制,但在簽名、密鑰交換方面不同於ECDSA、ECDH等國際標準,而是採取了更為安全的機制。另外,SM2推薦了一條256位的曲線作為標準曲線。

SM2標準包括總則,數字簽名算法,密鑰交換協議,公鑰加密算法四個部分,並在每個部分的附錄詳細說明了實現的相關細節及示例。

SM2算法主要考慮素域Fp和F2m上的橢圓曲線,分別介紹了這兩類域的表示,運算,以及域上的橢圓曲線的點的表示,運算和多倍點計算算法。然後介紹了編程語言中的數據轉換,包括整數和字節串,字節串和比特串,域元素和比特串,域元素和整數,點和字節串之間的數據轉換規則。

詳細說明了有限域上橢圓曲線的參數生成以及驗證,橢圓曲線的參數包括有限域的選取,橢圓曲線方程參數,橢圓曲線群基點的選取等,並給出了選取的標準以便於驗證。最後給橢圓曲線上密鑰對的生成以及公鑰的驗證,用戶的密鑰對為(s,sP),其中s為用戶的私鑰,sP為用戶的公鑰,由於離散對數問題從sP難以得到s,並針對素域和二元擴域給出了密鑰對生成細節和驗證方式。總則中的知識也適用於SM9算法。

在總則的基礎上給出了數字簽名算法(包括數字簽名生成算法和驗證算法),密鑰交換協議以及公鑰加密算法(包括加密算法和解密算法),並在每個部分給出了算法描述,算法流程和相關示例。

數字簽名算法,密鑰交換協議以及公鑰加密算法都使用了國家密管理局批准的SM3密碼雜湊算法和隨機數發生器。數字簽名算法,密鑰交換協議以及公鑰加密算法根據總則來選取有限域和橢圓曲線,並生成密鑰對。

SM2算法在很多方面都優於RSA算法(RSA發展得早應用普遍,SM2領先也很自然)。

盤點我國商用密碼算法,誰將會成為5G通訊的標準商密?

3 、SM3雜湊算法

SM3密碼雜湊(哈希、散列)算法給出了雜湊函數算法的計算方法和計算步驟,並給出了運算示例。此算法適用於商用密碼應用中的數字簽名和驗證,消息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成,可滿足多種密碼應用的安全需求。在SM2,SM9標準中使用。

此算法對輸入長度小於2的64次方的比特消息,經過填充和迭代壓縮,生成長度為256比特的雜湊值,其中使用了異或,模,模加,移位,與,或,非運算,由填充,迭代過程,消息擴展和壓縮函數所構成。

4 、SM4對稱算法

此算法是一個分組算法,用於無線局域網產品。該算法的分組長度為128比特,密鑰長度為128比特。加密算法與密鑰擴展算法都採用32輪非線性迭代結構。解密算法與加密算法的結構相同,只是輪密鑰的使用順序相反,解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。

此算法採用非線性迭代結構,每次迭代由一個輪函數給出,其中輪函數由一個非線性變換和線性變換複合而成,非線性變換由S盒所給出。其中rki為輪密鑰,合成置換T組成輪函數。輪密鑰的產生與上圖流程類似,由加密密鑰作為輸入生成,輪函數中的線性變換不同,還有些參數的區別。

5、 SM7對稱密碼算法

SM7算法,是一種分組密碼算法,分組長度為128比特,密鑰長度為128比特。SM7適用於非接觸式IC卡,應用包括身份識別類應用(門禁卡、工作證、參賽證),票務類應用(大型賽事門票、展會門票),支付與通卡類應用(積分消費卡、校園一卡通、企業一卡通等)。

6、 SM9標識密碼算法

SM9標識密碼算法是由國密局發佈的一種IBE(Identity-Based Encryption)算法。IBE算法以用戶的身份標識作為公鑰,不依賴於數字證書。

在商用密碼體系中,SM9主要用於用戶的身份認證。SM9的加密強度等同於3072位密鑰的RSA加密算法。

為了降低公開密鑰系統中密鑰和證書管理的複雜性,以色列科學家、RSA算法發明人之一Adi Shamir在1984年提出了標識密碼(Identity-Based Cryptography)的理念。標識密碼將用戶的標識(如郵件地址、手機號碼、QQ號碼等)作為公鑰,省略了交換數字證書和公鑰過程,使得安全系統變得易於部署和管理,非常適合端對端離線安全通訊、雲端數據加密、基於屬性加密、基於策略加密的各種場合。2008年標識密碼算法正式獲得國家密碼管理局頒發的商密算法型號:SM9(商密九號算法),為我國標識密碼技術的應用奠定了堅實的基礎。

SM9算法不需要申請數字證書,適用於互聯網應用的各種新興應用的安全保障。如基於雲技術的密碼服務、電子郵件安全、智能終端保護、物聯網安全、雲存儲安全等等。這些安全應用可採用手機號碼或郵件地址作為公鑰,實現數據加密、身份認證、通話加密、通道加密等安全應用,並具有使用方便,易於部署的特點,從而開啟了普及密碼算法的大門。

盤點我國商用密碼算法,誰將會成為5G通訊的標準商密?

7、ZUC祖沖之算法

祖沖之序列密碼算法是中國自主研究的流密碼算法,是運用於移動通信4G網絡中的國際標準密碼算法,該算法包括祖沖之算法(ZUC)、加密算法(128-EEA3)和完整性算法(128-EIA3)三個部分。目前已有對ZUC算法的優化實現,有專門針對128-EEA3和128-EIA3的硬件實現與優化,來自工信部、國家密碼管理局、IMT-2020(5G)推進組、中國密碼學會正在努力推進ZUC 成為5G的標準密碼算法,這是最有可能成為5G中的加密算法。

密碼算法作為國家戰略資源,比歷史上任何時候都顯得更為關鍵。早在2011年初國家就在推進金融機構的國密改造過程,現今各大商業銀行都已完成國密改造升級,第三方 非金機構的國密改造過程也在進行中,預計會在2020年之前逐步完成。


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