基于國密SM2/SM3/SM4算法的加解密系統設計

摘要：針對數據安全問題，文章設計并實現了一種基于國密SM2、SM3、SM4算法的加解密系統。該系統采用SM4算法進行對稱加密，利用SM2算法生成密鑰對并進行數字簽名，結合SM3算法進行哈希校驗，有效確保了數據的機密性、完整性與可信性。系統分為加密、解密和密鑰管理三個模塊，密鑰管理模塊采用加密存儲和權限控制等措施確保密鑰安全。測試結果表明，系統具有良好的穩定性、高效性和安全性，能夠有效應對數據篡改、密鑰損壞等安全威脅，為數據安全保護提供了可靠的解決方案。

關鍵詞：數據安全；國密算法；加解密系統；數字簽名；哈希算法；密鑰管理

中圖分類號：TP309.2文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2025）13-0083-04

0引言

隨著信息技術的迅猛發展，數據安全問題已成為信息社會亟待解決的關鍵挑戰，網絡攻擊、數據泄露與篡改等風險不斷增加。如何確保數據的機密性、完整性以及來源的可信性，已成為信息安全領域的核心問題。我國自主研發的SM2、SM3、SM4算法，作為國家密碼標準，在數據加密、數字簽名和信息保護中具有重要應用。現有加解密系統在高效性和密鑰管理方面仍有改進空間，因此，設計基于國密算法的加解密系統具有重要意義。針對現有加解密系統在安全性和效率方面的不足，本文提出了一種基于國密SM2/SM3/SM4算法的加解密系統，旨在提供更安全、高效的數據保護方案。本文將詳細介紹系統的設計與實現，并通過測試驗證系統的性能和安全性。

1緒論

1.1數據加密技術

伴隨信息技術的迅猛演進，數據安全已成為國際社會廣泛關注的重要課題。數據加密作為保護信息隱私與防止數據篡改的重要手段，已成為信息安全領域的基礎技術之一[1]。傳統加密算法分為對稱加密（如AES、DES）與非對稱加密（如RSA、ECC）。對稱加密依賴共享密鑰實現高效加解密，但面臨密鑰分發難題；非對稱加密通過公私鑰對提升安全性，常用于數字簽名與身份認證，但計算開銷較大。隨著網絡攻擊手段的不斷演化，傳統的加密算法面臨著越來越大的安全壓力。因此，國際上對于密碼學技術的研究不斷推進，探索出了一些具有更高安全性、抗攻擊性的加密方案。

1.2國密算法研究

國密算法（即中國國家密碼算法）是我國自主研發的加密算法標準，SM2、SM3、SM4算法是其中的核心算法，分別用于公鑰加密、哈希計算和對稱加密，具有較高的安全性和效率。近年來，基于國密算法的加解密系統已在政府機構、金融行業及其他關鍵領域廣泛應用，逐步替代了國際通用的加密標準[2]。

1）SM2算法：作為我國的公鑰密碼算法，SM2主要應用于數字簽名、密鑰交換及公鑰加密。與RSA算法相比，SM2在密鑰長度和運算速度上具有優勢，其橢圓曲線密碼學（EllipticCurveCryptography，ECC）的設計顯著增強了抗攻擊性能[3]。SM2已被廣泛用于數字簽名和密鑰交換協議中，成為我國在信息安全領域的重要標準。

2）SM3算法：SM3是一種哈希算法。在進行數據傳輸時，廣泛應用于，SM3算法可以為文件生成唯一的哈希值，用于確保數據在傳輸或存儲過程中的完整性。與國外的SHA系列算法相比，SM3具有相似的安全性和更高的性能。SM3已被納入多種國內安全協議，并成為中國國家密碼體系的一部分[3]。

3）SM4算法：SM4是我國自主研發的對稱加密算法，具有固定128位密鑰長度，廣泛用于數據加密和保護數據的機密性。SM4算法具備較強的安全性和較高的加解密效率，特別適用于數據傳輸中的快速加密和解密[3]。在金融和政府通信等領域，SM4已經得到廣泛應用，并成為數字信任體系的重要保障之一。

2系統設計與實現

2.1系統架構

本系統基于國密SM2/SM3/SM4算法設計加解密方案，確保數據的保密性、完整性與認證性[4]。系統架構分為三個子系統：加密模塊、解密模塊和密鑰管理模塊。加密模塊進行文件加密，用戶輸入密碼和隨機數生成SM2密鑰對，利用SM2私鑰生成數字簽名，使用SM4算法加密文件，最終保存加密文件及相關信息；解密模塊通過輸入密碼與公鑰文件解密文件，驗證數字簽名確保數據可信性，同時驗證SM3哈希值，保證數據的完整性；密鑰管理模塊負責生成、存儲和管理SM2密鑰對，保障密鑰的安全。本系統實現了文件加密與解密的安全操作，確保數據傳輸的安全性與可信度。

2.2加密模塊

加密模塊的核心功能在于保護用戶選定的文件安全，采用SM4對稱加密與SM2非對稱加密算法相結合的方式，實現數據的機密性、完整性與可信性。該模塊通過哈希計算、對稱加密及數字簽名等步驟，確保數據在存儲和傳輸過程中的安全性，有效防止未經授權的訪問、篡改或偽造。整體流程涵蓋密鑰生成、哈希計算、加密處理和數字簽名等關鍵環節，確保數據在整個生命周期內的安全性與可驗證性。

如圖1所示，加密流程首先利用用戶提供的隨機數輸入SM2算法生成密鑰對，其中公鑰用于后續的驗證，私鑰則用于數字簽名。隨后，系統采用SM3算法對原始文件進行哈希運算，得到固定長度的消息摘要。哈希值的作用在于提供數據完整性校驗，確保即使原始文件發生微小變動，其哈希值也會發生顯著變化，從而在解密和驗證過程中能夠識別任何篡改行為。接下來，系統使用SM4對稱加密算法對文件進行加密，SM4密鑰由用戶提供，結合文件內容作為輸入，最終輸出加密后的密文。SM4采用分組加密方式，確保數據在存儲和傳輸過程中保持機密性，不會被未授權方解讀或篡改[5]。

在數據加密完成后，系統進一步使用SM2私鑰對哈希值進行數字簽名，生成簽名信息。簽名過程確保數據來源的可信性，并在解密或驗證階段提供完整性校驗手段。最終，系統將密文、哈希值、簽名信息及必要的密鑰信息打包存儲在指定路徑，確保數據在后續使用過程中可進行有效驗證和解密。SM4算法提供高效的數據加密能力，SM3算法保障數據完整性，SM2算法實現數字簽名的不可否認性，三者協同作用，共同提升系統的安全性，使其能夠有效抵御數據泄露、篡改等潛在風險，為后續的解密與驗證提供可靠支持。

2.3解密模塊

解密模塊的核心功能在于對加密文件進行解密、完整性驗證以及簽名校驗，以確保數據的安全性與可靠性。該模塊的設計目標是在加密文件傳輸至接收端后，使用戶能夠安全、準確地恢復原始文件內容，并驗證其在存儲或傳輸過程中是否遭受篡改或損壞[6]。

如圖2所示，該解密流程主要包括三個關鍵步驟：首先，用戶提交加密文件及相應的公鑰；其次，系統利用SM4算法對加密數據進行解密；最后，系統執行SM2簽名驗證和SM3哈希值校驗，以確保數據的完整性和真實性。

在解密流程的初始階段，用戶需提供用于簽名驗證的SM2公鑰，并輸入相應的解密密鑰以啟動解密操作。系統首先調用SM4對稱加密算法對加密數據進行解密，從而恢復文件的原始內容。SM4算法作為國家密碼算法標準，因其在密鑰擴展、加解密速度及抗攻擊能力方面的優勢，廣泛應用于高安全性數據保護場景。其高效的加解密性能能夠保障解密過程在保證安全性的同時，維持較高的處理效率，從而滿足大規模數據解密的需求。解密完成后，系統將恢復出的數據用于后續的完整性驗證與簽名校驗。

在完整性校驗環節，系統使用用戶提供的SM2公鑰對解密數據的數字簽名進行驗證，以確認文件的來源是否可信，并確保數據未被篡改或偽造。數字簽名是加密過程中由發送方利用其私鑰生成的，因此接收方可以通過公鑰進行驗證，以確保文件的真實性和不可否認性。若簽名校驗通過，則表明文件來源可信；若簽名校驗失敗，則系統會警示用戶文件可能存在安全隱患。此外，為進一步確保數據完整性，系統采用SM3哈希算法對解密后的數據進行哈希計算，并將所得摘要與加密時存儲的原始哈希值進行比對。若二者一致，則說明文件在傳輸或存儲過程中未發生任何變更，數據完整性得以保障；若哈希值不匹配，則意味著文件可能遭受了篡改或損壞，系統將向用戶發出相應的安全警示，并拒絕提供解密后的數據，以防止錯誤信息的使用。

最后，依據簽名驗證和哈希值比對的結果，系統將解密后的文件反饋給用戶；或者在驗證失敗的情況下，向用戶提供詳細的錯誤信息，以提示潛在的安全風險。該解密流程不僅確保了解密操作的高效性和準確性，還能夠有效防范數據篡改風險，增強加密文件在傳輸過程中的可信性和完整性，為數據安全提供重要保障。

2.4密鑰管理模塊

密鑰管理模塊主要負責生成、存儲和管理SM2非對稱加密算法所需的密鑰對。該模塊的設計目標是確保密鑰的安全性、有效性以及在加密通信中的靈活可控性，保障整個系統加密操作的可靠性和安全性。

在該模塊中，用戶首先提供一個隨機數作為密鑰對生成的種子，系統依據該隨機數利用SM2算法生成密鑰對，包括公鑰和私鑰。密鑰對生成后，系統會將公鑰和私鑰分別存儲于指定的文件路徑，確保其在后續的加密、解密及簽名驗證過程中能夠被安全使用。為了防止非法訪問或篡改，密鑰存儲過程采取了加密保護措施，確保密鑰的存取操作不被外部惡意干擾或破壞，從而維護密鑰的安全性。此外，用戶可以根據需要隨時獲取密鑰對，也可在不再需要時進行密鑰的更新或撤銷操作，進一步增強了系統的靈活性和安全性。這種設計允許用戶根據具體需求靈活管理密鑰對，避免密鑰的過期或濫用。系統在密鑰生成和存儲過程中采取嚴格的管理措施，確保密鑰的有效性，使其始終處于受控狀態，從而最大限度地提升系統的安全性和可操作性。

在文件加密、解密以及數字簽名等操作中，SM2密鑰對的管理起著至關重要的作用。無論是在加密過程中生成密鑰對，還是在解密或簽名驗證過程中使用密鑰對，密鑰管理模塊都確保了密鑰的可靠性和可控性，保障了數據傳輸過程中的安全性與完整性。通過這一模塊，系統能夠精確地匹配每個用戶的操作需求，確保密鑰的靈活使用，并為整個加解密過程提供有力的保障。

3系統測試

3.1加密測試

加密測試驗證了加密模塊和密鑰管理模塊是否能夠按預期工作。在測試中，模擬用戶上傳待加密文件，系統根據用戶提供的隨機數生成SM2密鑰對，并使用SM4對稱加密算法對文件進行加密。加密后，系統使用SM2算法對加密文件進行數字簽名。

如圖3所示，系統成功執行了加密流程，并正確生成了對應的數字簽名。測試過程主要涉及兩個關鍵方面：1）文件加密：選定的文件能夠成功加密，且加密結果符合預期的安全標準；2）簽名生成：加密后文件的數字簽名正確生成，并能夠有效用于后續的驗證操作。

3.2解密測試

解密測試主要驗證解密模塊的正確性與可靠性。在測試中，模擬用戶提供用于解密的密碼和公鑰文件，系統應能正確解密加密文件，并通過簽名驗證確保文件未被篡改。

如圖4所示，系統通過公鑰驗證簽名后，完整還原原始文件，且哈希比對結果一致。測試過程主要涉及以下三個關鍵方面：1）文件解密：解密后的文件內容能夠正確還原為原始文件，確保解密操作的準確性；2）簽名驗證：使用用戶提供的SM2公鑰驗證解密文件的數字簽名時，能夠正確判斷文件的完整性和可信性；3）消息摘要對比：解密后系統計算文件的消息摘要并與存儲的原始摘要進行對比，以確認文件的完整性。

3.3綜合測試

此外，還通過綜合測試驗證了系統在實際應用中處理多個模塊協同工作的能力。在測試過程中，系統需完成文件加密、存儲、傳輸、解密及驗證等一系列操作，確保模塊間的數據傳遞和接口配合順暢。此項測試的重點是確認系統具備處理復雜任務的能力，驗證加解密過程中的每一步都能夠準確無誤地執行。

3.4安全性測試

安全測試模擬了不同的攻擊場景，如傳輸過程中數據被惡意篡改、密鑰損壞或錯誤等。

1）文件內容篡改：通過修改加密文件的內容（如改變文件的一部分或添加無效數據），測試系統是否能夠在解密和簽名驗證過程中檢測到文件篡改。系統能夠及時拒絕篡改文件的解密操作，并提示用戶“文件完整性校驗失敗”；

2）消息摘要篡改：修改加密文件中存儲的消息摘要部分（即文件的哈希值），以模擬文件在傳輸過程中遭到篡改。系統在解密過程中會計算文件內容的哈希值，并與存儲的哈希值進行比對。當哈希值不一致時，系統能夠識別該問題并終止后續操作，提示“文件完整性校驗失敗”；

3）數字簽名篡改：通過篡改文件的數字簽名（如偽造或修改簽名數據），模擬攻擊者對文件簽名的篡改行為。系統在驗證簽名時，能識別簽名失效，并拒絕驗證過程，提示“簽名驗證失敗”；

4）密鑰損壞測試：模擬密鑰的損壞情況（如通過篡改密鑰文件或使密鑰失效），并測試簽名驗證過程。系統能在簽名驗證時檢測到密鑰損壞，并拒絕簽驗操作，顯示錯誤信息“密鑰無效”；

5）密鑰不匹配測試：模擬在加密和解密過程中使，驗證系統是否能夠識別密鑰不匹配并阻止解密或簽名驗證操作。當使用錯誤的密鑰進行解密或錯誤的公鑰進行簽名驗證時，系統應能夠終止該操作并提示“驗證失敗”。

4結束語

本文基于SM2、SM3和SM4算法構建了一套文件加密與解密系統，以保障數據的機密性、完整性和可信性。系統集成加密、解密與密鑰管理模塊，實現數據加密、簽名、完整性驗證及密鑰管理。測試結果表明，該系統在加解密穩定性、簽名驗證及異常處理方面表現優異，能有效防御數據篡改和密鑰損壞等安全威脅。盡管系統在安全性和效率方面具有一定優勢，但仍存在一些不足之處，例如對大文件的加密/解密速度有待進一步優化。未來研究可以關注以下幾個方面：1）探索更高效的國密算法實現，提升系統性能。2）研究更安全的密鑰管理方案，防止密鑰泄露。3）將系統應用于更廣泛的場景，例如云存儲、物聯網等。

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