爬蟲逆向基礎，認識 SM1-SM9、ZUC 國密演算法

K哥爬蟲發表於2021-11-11
爬蟲演算法

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【01x00】 簡介

國密即國家密碼局認定的國產加密演算法，爬蟲工程師在做 JS 逆向的時候，會遇到各種各樣的加密演算法，其中 RSA、AES、SHA 等演算法是最常見的，這些演算法都是國外的，在 K 哥以前的文章裡也有介紹：《【爬蟲知識】爬蟲常見加密解密演算法》

事實上從 2010 年開始，我國國家密碼管理局就已經開始陸續釋出了一系列國產加密演算法，這其中就包括 SM1、SM2、SM3 、SM4、SM7、SM9、ZUC（祖沖之加密演算法）等，SM 代表商密，即商業密碼，是指用於商業的、不涉及國家祕密的密碼技術。SM1 和 SM7 的演算法不公開，其餘演算法都已成為 ISO/IEC 國際標準。

在這些國產加密演算法中，SM2、SM3、SM4 三種加密演算法是比較常見的，在爬取部分 gov 網站時，也可能會遇到這些演算法，所以作為爬蟲工程師是有必要了解一下這些演算法的，如下圖所示某 gov 網站就使用了 SM2 和 SM4 加密演算法：

01.png

【02x00】演算法概述

演算法名稱演算法類別應用領域特點
SM1對稱（分組）加密演算法晶片分組長度、金鑰長度均為 128 位元
SM2非對稱（基於橢圓曲線 ECC）加密演算法資料加密ECC 橢圓曲線密碼機制 256 位，相比 RSA 處理速度快，消耗更少
SM3雜湊（hash）函式演算法完整性校驗安全性及效率與 SHA-256 相當，壓縮函式更復雜
SM4對稱（分組）加密演算法資料加密和區域網產品分組長度、金鑰長度均為 128 位元，計算輪數多
SM7對稱（分組）加密演算法非接觸式 IC 卡分組長度、金鑰長度均為 128 位元
SM9標識加密演算法（IBE）端對端離線安全通訊加密強度等同於 3072 位金鑰的 RSA 加密演算法
ZUC對稱（序列）加密演算法行動通訊 4G 網路流密碼

【03x00】演算法詳解

【03x01】SM1 分組加密演算法

SM1 為分組加密演算法，對稱加密，分組長度和金鑰長度都為 128 位，故對訊息進行加解密時，若訊息長度過長，需要進行分組，要訊息長度不足，則要進行填充。演算法安全保密強度及相關軟硬體實現效能與 AES 相當，該演算法不公開，僅以 IP 核的形式存在於晶片中，呼叫該演算法時，需要通過加密晶片的介面進行呼叫，採用該演算法已經研製了系列晶片、智慧 IC 卡、智慧密碼鑰匙、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（包括國家政務通、警務通等重要領域），一般瞭解的人比較少，爬蟲工程師也不會遇到這種加密演算法。

【03x02】SM2 橢圓曲線公鑰加密演算法

SM2 為橢圓曲線（ECC）公鑰加密演算法，非對稱加密，SM2 演算法和 RSA 演算法都是公鑰加密演算法，SM2 演算法是一種更先進安全的演算法，在我們國家商用密碼體系中被用來替換 RSA 演算法，在不少 gov 網站會見到此類加密演算法。我國學者對橢圓曲線密碼的研究從 20 世紀 80 年代開始，目前已取得不少成果，SM2 橢圓曲線公鑰密碼演算法比 RSA 演算法有以下優勢：

SM2RSA
安全性256 位 SM2 強度已超過 RSA-2048一般
演算法結構基本橢圓曲線（ECC）基於特殊的可逆模冪運算
計算複雜度完全指數級亞指數級
儲存空間（金鑰長度）192-256 bit2048-4096 bit
祕鑰生成速度較 RSA 演算法快百倍以上慢
解密加密速度較快一般

【03x03】SM3 雜湊演算法

SM3 為密碼雜湊演算法，採用密碼雜湊（hash）函式標準，用於替代 MD5/SHA-1/SHA-2 等國際演算法，是在 SHA-256 基礎上改進實現的一種演算法，訊息分組長度為 512 位，摘要值長度為 256 位，其中使用了異或、模、模加、移位、與、或、非運算，由填充、迭代過程、訊息擴充套件和壓縮函式所構成。在商用密碼體系中，SM3 主要用於數字簽名及驗證、訊息認證碼生成及驗證、隨機數生成等。據國家密碼管理局表示，其安全性及效率要高於 MD5 演算法和 SHA-1 演算法，與 SHA-256 相當。

【03x04】SM4 分組加密演算法

SM4 為無線區域網標準的分組加密演算法，對稱加密，用於替代 DES/AES 等國際演算法，SM4 演算法與 AES 演算法具有相同的金鑰長度和分組長度，均為 128 位，故對訊息進行加解密時，若訊息長度過長，需要進行分組，要訊息長度不足，則要進行填充。加密演算法與金鑰擴充套件演算法都採用 32 輪非線性迭代結構，解密演算法與加密演算法的結構相同，只是輪金鑰的使用順序相反，解密輪金鑰是加密輪金鑰的逆序。

SM4DESAES
計算輪數3216（3DES 為 16*3）10/12/14
密碼部件S 盒、非線性變換、線性變換、合成變換標準算術和邏輯運算、先替換後置換，不含線性變換S 盒、行移位變換、列混合變換、圈金鑰加變換（AddRoundKey）

【03x05】SM7 分組加密演算法

SM7 為分組加密演算法，對稱加密，該演算法不公開，應用包括身份識別類應用（非接觸式 IC 卡、門禁卡、工作證、參賽證等），票務類應用（大型賽事門票、展會門票等），支付與通卡類應用（積分消費卡、校園一卡通、企業一卡通等）。爬蟲工程師基本上不會遇到此類演算法。

【03x06】SM9 標識加密演算法

SM9 為標識加密演算法（Identity-Based Cryptography），非對稱加密，標識加密將使用者的標識（如微訊號、郵件地址、手機號碼、QQ 號等）作為公鑰，省略了交換數字證照和公鑰過程，使得安全系統變得易於部署和管理，適用於網際網路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、智慧終端保護、物聯網安全、雲端儲存安全等等。這些安全應用可採用手機號碼或郵件地址作為公鑰，實現資料加密、身份認證、通話加密、通道加密等。在商用密碼體系中，SM9 主要用於使用者的身份認證，據新華網公開報導，SM9 的加密強度等同於 3072 位金鑰的 RSA 加密演算法。

【03x07】ZUC 祖沖之演算法

ZUC 為流密碼演算法，對稱加密，該機密性演算法可適用於 3GPP LTE 通訊中的加密和解密，該演算法包括祖沖之演算法（ZUC）、機密性演算法（128-EEA3）和完整性演算法（128-EIA3）三個部分。已經被國際組織 3GPP 推薦為 4G 無線通訊的第三套國際加密和完整性標準的候選演算法。

【04x00】程式語言實現

【04x01】Python 語言實現

在 Python 裡面並沒有比較官方的庫來實現國密演算法，這裡僅列出了其中兩個較為完善的第三方庫，需要注意的是，SM1 和 SM7 演算法不公開，目前大多庫僅實現了 SM2、SM3、SM4 三種密演算法。

其中 gmssl-python 是 gmssl 的改進版，gmssl-python 新增支援了 SM9 演算法，不過截止本文編寫時，gmssl-python 並未釋出 pypi，也未 PR 到 gmssl，使用 pip install gmssl 安裝的 gmssl 不支援 SM9 演算法。若要使用 SM9 演算法，可下載 gmssl-python 原始碼手動安裝。

以 gmssl 的 SM2 演算法為例，實現如下（其他演算法和詳細用法可參考其官方文件）：

SM2 加密（encrypt）和解密（decrypt）：

from gmssl import sm2


# 16 進位制的公鑰和私鑰
private_key = '00B9AB0B828FF68872F21A837FC303668428DEA11DCD1B24429D0C99E24EED83D5'
public_key = 'B9C9A6E04E9C91F7BA880429273747D7EF5DDEB0BB2FF6317EB00BEF331A83081A6994B8993F3F5D6EADDDB81872266C87C018FB4162F5AF347B483E24620207'
sm2_crypt = sm2.CryptSM2(public_key=public_key, private_key=private_key)

# 待加密資料和加密後資料為 bytes 型別
data = b"this is the data to be encrypted"
enc_data = sm2_crypt.encrypt(data)
dec_data = sm2_crypt.decrypt(enc_data)

print('enc_data: ', enc_data.hex())
print('dec_data: ', dec_data)

# enc_data:  3cb96dd2e0b6c24df8e22a5da3951d061a6ee6ce99f46a446426feca83e501073288b1553ca8d91fad79054e26696a27c982492466dafb5ed06a573fb09947f2aed8dfae243b095ab88115c584bb6f0814efe2f338a00de42b244c99698e81c7913c1d82b7609557677a36681dd10b646229350ad0261b51ca5ed6030d660947

# dec_data:  b'this is the data to be encrypted'

SM2 簽名（sign）和校驗（verify）：

from gmssl import sm2, func


# 16 進位制的公鑰和私鑰
private_key = '00B9AB0B828FF68872F21A837FC303668428DEA11DCD1B24429D0C99E24EED83D5'
public_key = 'B9C9A6E04E9C91F7BA880429273747D7EF5DDEB0BB2FF6317EB00BEF331A83081A6994B8993F3F5D6EADDDB81872266C87C018FB4162F5AF347B483E24620207'
sm2_crypt = sm2.CryptSM2(public_key=public_key, private_key=private_key)

# 待簽名資料為 bytes 型別
data = b"this is the data to be signed"
random_hex_str = func.random_hex(sm2_crypt.para_len)

#  16 進位制
sign = sm2_crypt.sign(data, random_hex_str)
verify = sm2_crypt.verify(sign, data)

print('sign: ', sign)
print('verify: ', verify)

# sign:  45cfe5306b1a87cf5d0034ef6712babdd1d98547e75bcf89a17f3bcb617150a3f111ab05597601bab8c41e2b980754b74ebe9a169a59db37d549569910ae273a

# verify:  True

【04x02】JavaScript 語言實現

在 JavaScript 中已有比較成熟的實現庫，這裡推薦 sm-crypto，目前支援 SM2、SM3 和 SM4，需要注意的是，SM2 非對稱加密的結果由 C1、C2、C3 三部分組成，其中 C1 是生成隨機數的計算出的橢圓曲線點，C2 是密文資料，C3 是 SM3 的摘要值，最開始的國密標準的結果是按 C1C2C3 順序的，新標準的是按 C1C3C2 順序存放的，sm-crypto 支援設定 cipherMode，也就是 C1C2C3 的排列順序。

sm-crypto：https://www.npmjs.com/package...

以 SM2 演算法為例，實現如下（其他演算法和詳細用法可參考其官方文件）：

SM2 加密（encrypt）和解密（decrypt）：

const sm2 = require('sm-crypto').sm2

// 1 - C1C3C2，0 - C1C2C3，預設為1
const cipherMode = 1

// 獲取金鑰對
let keypair = sm2.generateKeyPairHex()
let publicKey = keypair.publicKey   // 公鑰
let privateKey = keypair.privateKey // 私鑰

let msgString = "this is the data to be encrypted"
let encryptData = sm2.doEncrypt(msgString, publicKey, cipherMode)    // 加密結果
let decryptData = sm2.doDecrypt(encryptData, privateKey, cipherMode) // 解密結果

console.log("encryptData: ", encryptData)
console.log("decryptData: ", decryptData)

// encryptData:  ddf261103fae06d0efe20ea0fe0d82bcc170e8efd8eeae24e9559b3835993f0ed2acb8ba6782fc21941ee74ca453d77664a5cb7dbb91517e6a3b0c27db7ce587ae7af54f8df48d7fa822b7062e2af66c112aa57de94d12ba28e5ba96bf4439d299b41da4a5282d054696adc64156d248049d1eb1d0af28d76b542fe8a95d427e

// decryptData:  this is the data to be encrypted

SM2 簽名（sign）和校驗（verify）：

const sm2 = require('sm-crypto').sm2

// 獲取金鑰對
let keypair = sm2.generateKeyPairHex()
let publicKey = keypair.publicKey   // 公鑰
let privateKey = keypair.privateKey // 私鑰

// 純簽名 + 生成橢圓曲線點
let msgString = "this is the data to be signed"
let sigValueHex = sm2.doSignature(msgString, privateKey)                    // 簽名
let verifyResult = sm2.doVerifySignature(msgString, sigValueHex, publicKey) // 驗簽結果

console.log("sigValueHex: ", sigValueHex)
console.log("verifyResult: ", verifyResult)

// sigValueHex:  924cbb9f2b5adb554ef77129ff1e3a00b2da42017ad3ec2f806d824a77646987ba8c8c4fb94576c38bc11ae69cc98ebbb40b5d47715171ec7dcea913dfc6ccc1

// verifyResult:  true

【04x03】其他語言實現以及參考資料

【05x00】附：GM/T 密碼行業標準

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