密碼算法的標(biāo)準(zhǔn)化研究

孫孟海 聶崗 李明

摘 要：密碼算法是網(wǎng)絡(luò)安全的核心技術(shù)支撐，對增強我國密碼產(chǎn)業(yè)在國際上的核心競爭力具有重要的意義。本文從標(biāo)準(zhǔn)化角度分析國內(nèi)外現(xiàn)有的部分密碼算法，找出我國在密碼算法中的優(yōu)勢領(lǐng)域及存在的不足，并對下一步密碼算法的發(fā)展進行展望。

關(guān)鍵詞：算法，標(biāo)準(zhǔn)化，密碼，密碼算法

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.08.006

0 引 言

密碼算法是密碼協(xié)議的基礎(chǔ)，它是一種特定運算規(guī)則，可以看作是一種加解密的數(shù)學(xué)函數(shù)，主要是對數(shù)據(jù)進行保密，防止數(shù)據(jù)泄露、篡改，并且還具有不可抵賴性和身份驗證等功能。由于密碼算法具有以上特征，被廣泛用于社會生活各方面，成為網(wǎng)絡(luò)安全的重要組成部分[1]。一般來說，密碼強弱是衡量密碼算法優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。密碼強度弱的算法很容易成為對方攻擊的對象，一旦攻擊成功，很容易導(dǎo)致密碼系統(tǒng)失效或被對方利用。目前，密碼算法的標(biāo)準(zhǔn)化是密碼事業(yè)發(fā)展的重要方向，也是密碼技術(shù)走向商用的必然要求。

本文從標(biāo)準(zhǔn)化的視角去分析研究密碼算法，探究已有的密碼算法國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在聯(lián)系，研究相關(guān)的密碼標(biāo)準(zhǔn)體系建立的重要性。密碼算法標(biāo)準(zhǔn)對加強密碼管理、促進密碼技術(shù)發(fā)展、保障密碼產(chǎn)品質(zhì)量、規(guī)范密碼算法技術(shù)應(yīng)用都具有十分重要的意義。

1 國外密碼算法

在70年代，美國開始確立了國內(nèi)的DES（DataEncr y ption St a nda rd）加密標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)這種分組方法問世之后，人們就對分組加密進行了廣泛的研究探討，目前，已發(fā)現(xiàn)有很多種分組加密算法。利用分組密鑰可以將所有明文信息按固定長度進行分類，然后在一個加密管控內(nèi)逐組進行加密，從而使各明文信息轉(zhuǎn)化成一個等長的密文分組的密鑰。其中，明文分組的長度即為該分組密碼的分組規(guī)模[2]。DES算法和IDEA（International DataEnc r y ption A lgor it h m）算法演變而來的各種算法就屬于此類。隨著A ES（Adva nced Encr y ptionSt a nda rd）算法和DES算法研究的不斷成熟和深入，使密碼的分析判斷、審核能力也取得了長足進步，AES和DES加密技術(shù)拓展出定時攻擊等很多研究成果。

1.1 DES密碼算法

DES算法屬于分組密碼算法，是使用密鑰加密的塊算法，目前使用最廣的商用密碼算法。由于DES算法的密鑰過短，不能阻止窮盡密鑰搜索方法破解的缺點逐漸暴露在公眾視野中。在一臺價格高、性能高的電腦上，用兩天的時間就能破解DES算法，DES算法對新的加密已經(jīng)不安全，需要找到一種可靠的算法來代替DES算法。

1.2 AES密碼算法

AES算法繼DES算法之后出現(xiàn)。AES是一個有效、可靠的對稱加密算法，具有強大的擴展特性，所生成的密鑰也具有極強的隨機性。數(shù)據(jù)文件在經(jīng)過AES技術(shù)的加密后，數(shù)據(jù)就會受到有效保存。像語音、視頻和數(shù)據(jù)庫等軟件信息和IC卡、智能安全卡和硬盤數(shù)據(jù)等經(jīng)AES算法加密后，數(shù)據(jù)信息能得到有效保護。在AES標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中，分組長度可以為128位，即每一個分組都有十六個字節(jié)，每字節(jié)8位，而加密的寬度則可以為128位、192位甚至258位，這不但比普通的加密算法好，而且還有更安全的優(yōu)勢。

1.3 NESSIE密碼算法

在美國AES算法后，歐洲提出了NESSIE的密碼大計劃以與之對抗，并保持歐洲在密碼領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。和AES比較，NESSIE所包含的信息范疇更廣泛，長期安全性、靈活性和有效性是其主要特征準(zhǔn)則，而可靠性是最關(guān)鍵的特征標(biāo)準(zhǔn)，是人們對密鑰校準(zhǔn)工作獲得信心并取得廣泛共識的重要基石。密碼標(biāo)準(zhǔn)的性能，主要可以從軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)和硬件的實現(xiàn)等方面考察。其中，Camellia算法是其中一個密碼標(biāo)準(zhǔn)，具備了較強的穩(wěn)定性，在應(yīng)用平臺上實現(xiàn)比較容易。它的硬件平臺所需的芯片面積少、硬件成本低，便于大范圍推廣。

1.4 后量子密碼算法

后量子密碼是新型密碼算法，是密碼技術(shù)和量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它能防御量子計算機對現(xiàn)有算法破壞。2022年，美國商務(wù)部國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）首次發(fā)布入圍標(biāo)準(zhǔn)的4個后量子密碼標(biāo)準(zhǔn)算法，包括1個公鑰加密和3個數(shù)字簽名算法，預(yù)計于2024年正式出版標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，歐洲、日本、瑞典和中國的后量子密碼算法標(biāo)準(zhǔn)也在加速研究之中。隨著量子計算機的快速發(fā)展，美國的多個機構(gòu)已提出要盡快向后量子密碼算法遷移。在標(biāo)準(zhǔn)算法已選定的情況下，開始加速后量子密碼算法的應(yīng)用落地已經(jīng)成為必然。

2 國內(nèi)密碼算法

為確保國內(nèi)商業(yè)密鑰的安全，我國商業(yè)密鑰管理部門專門提出了一種獨立安全的國密算法，根據(jù)類型又可分成對稱密碼算法（ZUC和SM4）、非對稱密碼算法（SM和SM9）和密碼雜湊算法（SM3）。

2.1 對稱密碼算法

對稱密碼算法是一種加密方法，由于在加解密的過程中，使用了對稱的加密，具有速度快、有效性強的特點，邏輯上更清晰了，但因為它的可靠性嚴(yán)重取決于密鑰，泄露密鑰意味著所有人均可加解密。

ZUC算法由我國自主研究設(shè)計，屬于序列密碼，是我國首個成為國際密碼標(biāo)準(zhǔn)的算法，其中，ZUC算法的SM4是典型對稱加密算法的代表。ZUC算法與國外密碼算法RC41[2]。SM4也是對稱密鑰和分組密碼的統(tǒng)一規(guī)范，規(guī)定分組長度和密鑰長度各為128位，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 32907《信息安全技術(shù) SM4分組密碼算法》，在2016年發(fā)布，由中國自主設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。在2021年6月，由中科院DCS中心等單位起草的SM4分組密碼算法作為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18033-3：2010/AMD1：2021《信息技術(shù) 安全技術(shù) 加密算法第3部分：分組密碼 補篇1：SM4》正式對外發(fā)布。國外的DES密碼算法與該密碼算法類似，都屬于對稱加密算法[1]。

2.2 非對稱密碼算法

非對稱密碼系統(tǒng)（asymmetric cryptography）使用了加密密鑰和解密密鑰兩種不同的鑰匙，這兩種鑰匙都能夠互相加解密，由發(fā)件方和接收方分別用公私鑰解密。公鑰是公共的，所以就不用擔(dān)心泄密問題了，而私鑰密碼是私有的，所以需要對密碼保密。而非對稱密鑰算法公鑰算法的底層設(shè)計也十分巧妙，從而避免了密鑰配送的難題。已經(jīng)推出的國產(chǎn)加密方法中的SM2和SM9都是這種的加密方法。SM屬于橢圓曲線加密（Elliptic curvecryptography，ECC）方法，它采用了一種比較安全的橢圓曲線加密方式。2012年，SM2被采納為 GM/T0003系列商用密碼標(biāo)準(zhǔn)，2016年轉(zhuǎn)化為GB/T 32918《信息安全技術(shù) SM2 橢圓曲線公鑰密碼算法》系列標(biāo)準(zhǔn)[2]。與SM2相對應(yīng)的現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)為ISO/IEC14888-3：2018《信息安全技術(shù) 帶附錄的數(shù)字簽名第3部分：基于離散對數(shù)的機制》，它主要規(guī)定數(shù)字簽名機制。SM9算法是IBC算法（Identity BasedCrytograph）的簡稱，是基于標(biāo)識的密碼算法，主要為了解決傳統(tǒng)公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）體系中存在大量數(shù)字證書的交換問題。在算法中，公鑰是用戶唯一特定的身份標(biāo)識，這樣就不再依賴于簽名公鑰。

2.3 雜湊密碼算法

密碼雜湊算法是將任意長度的比特串映射到固定長的比特串，也被稱作“哈希算法”[1]。比較典型的代表如SM3，是由密碼學(xué)家王小云和國內(nèi)一些專家一起設(shè)計的哈希算法，只能加密而不能解密的單向運算。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 32905《信息安全技術(shù)SM3密碼雜湊算法》，在2016年發(fā)布，2017年實施，解決了多種密碼安全需求。在2018年10月，SM3被ISO采用，成為ISO/IEC 10118-3：2018《信息安全技術(shù) 雜湊函數(shù) 第3部分：專用雜湊函數(shù)》國際標(biāo)準(zhǔn)的一部分[2]。

自2012年1月至2021年12月，國家密碼局發(fā)布了一些關(guān)于密碼方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)近200項，范圍涵蓋密碼算法使用規(guī)范、算法協(xié)議、通用服務(wù)接口規(guī)范、工作模式、安全接口等多個方面。自主設(shè)計的ZUC算法等7項密碼算法已納入ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)，有效解決了社會各行各業(yè)對密碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用需求。隨著《國家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》的頒布實施，各省市地方標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)新會議的召開，標(biāo)準(zhǔn)化已納入國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)范，貫徹經(jīng)濟社會發(fā)展的各個領(lǐng)域和全過程，也是推動高質(zhì)量發(fā)展為出發(fā)點和落腳點。鼓勵企事業(yè)單位和社會團體等市場主體不斷參與國際、區(qū)域間密碼算法標(biāo)準(zhǔn)方面的交流合作，使我國商業(yè)密碼產(chǎn)業(yè)盡快走出去，達(dá)到甚至超過國際先進標(biāo)準(zhǔn)水平，也是目前國家倡導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展方向。

3 密碼算法研究展望

當(dāng)世界向著更高效智能、更現(xiàn)代化方向發(fā)展時，密碼算法更加趨向于統(tǒng)一、簡化、協(xié)調(diào)、優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)化和實用化趨勢方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛普及利用，一些網(wǎng)格化、散步式發(fā)展趨勢逐漸出現(xiàn)，并引領(lǐng)新技術(shù)利用新的模式出現(xiàn)[3]。

面向新興市場利用的嵌入式密碼系統(tǒng)芯片的設(shè)計將是未來發(fā)展的主要方向。量子密碼也步入了實用化階段，如何戰(zhàn)勝當(dāng)前量子密鑰使用中的技術(shù)問題以及進行深層次的安全性研究將是今后量子密鑰發(fā)展的重要主題。而基于當(dāng)前量子技術(shù)強大的計算能力，可以實現(xiàn)構(gòu)造密碼計算系統(tǒng)，以解決目前量子計算技術(shù)所無法有效解決的問題。設(shè)計后量子密鑰體系，能夠大大提高后量子信息在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)上的兼容性，從一定意義上有效對抗未來后量子計算機系統(tǒng)的進攻[4]。

在量子研究領(lǐng)域中，密碼安全體系還處于不成熟階段，當(dāng)今國際密碼學(xué)領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的熱點是保障量子計算機的數(shù)據(jù)信息安全和抵御外來攻擊。

而后量子密碼算法恰好是抵御量子計算攻擊的核心技術(shù)，對后量子密碼算法安全性的研究分析也顯得尤為重要[4]。隨著數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、隱私計算等新興行業(yè)正步入高速成長時期，通過相關(guān)核心技術(shù)研究與業(yè)務(wù)迭代提升，從新技術(shù)的角度出發(fā)，在原有公鑰加密技術(shù)基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化現(xiàn)有的密鑰傳遞和簽名方法，提升到量子公鑰加密[4]，以進一步提高自身信息安全保護水平，主動加強內(nèi)在安全防護能力，實現(xiàn)傳統(tǒng)密碼技術(shù)向量子保密技術(shù)進行關(guān)鍵性轉(zhuǎn)變。

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作者簡介

孫孟海，高級工程師，主要從事標(biāo)準(zhǔn)制修訂、體系建設(shè)及計算機應(yīng)用技術(shù)研究。

聶崗，高級工程師，主要從事測控技術(shù)、檢驗檢測、檢定校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化理論研究。

李明，正高級工程師，主要從事標(biāo)準(zhǔn)制修訂、體系建設(shè)及數(shù)據(jù)庫研究。

（責(zé)任編輯：袁文靜）