基于國產密碼算法的智能校園可信中臺建設研究

摘要：隨著教育數字化的深入推進，校園信息安全問題日益凸顯。該文提出一種基于國產密碼算法的智能校園可信中臺建設方案。該方案以“密碼服務化”為核心理念，通過構建“算法-服務-應用”三層解耦架構，將SM系列密碼算法封裝為標準化的可信服務。研究詳細闡述了該中臺在統一身份認證、數據安全流轉、電子證照等核心場景下的融合應用模式與技術實現路徑。實踐表明，該方案不僅有效提升了校園信息系統的內生安全能力，更通過可信中臺實現了安全能力的集約化管理與高效復用，為教育行業構建自主可控的安全基座提供了可復制的實踐范例。

關鍵詞：國產密碼算法；智能校園；可信中臺

中圖分類號：TP393" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）24-0069-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

近年來，國家陸續頒布《網絡安全法》《密碼法》，將國產密碼技術上升為國家戰略。教育部在《中國教育現代化2035》《教育信息化2.0行動計劃》等文件中明確要求提升信息系統安全保護能力，特別是在《教育部等六部門關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見（教科信〔2021〕2號） 》中強調推動數據中心、信息系統和辦公終端的國產化改造，建立全國統一身份認證體系，利用國產商用密碼技術加密數據傳輸與存儲。鑒于此，本研究旨在構建基于國產密碼算法的校園信息安全體系，解決當前教育信息化深水區的核心安全挑戰。

1 相關技術與理論基礎

1.1 智能校園信息安全挑戰

隨著教育信息化建設的深入推進，智能校園面臨日益復雜的信息安全挑戰。當前主要存在以下3方面突出問題[1]：

1） 身份認證體系的碎片化問題。目前校園內各個信息系統大多采用獨立的認證機制和用戶身份庫。這種分散的管理模式不僅增加了管理成本，更帶來了弱口令風險、憑證復用等安全隱患。特別是隨著智慧教室傳感器、門禁系統等物聯網終端設備的大量部署，身份管理的復雜度進一步加劇。

2） 數據安全防護不足。校園環境中敏感數據（如學生個人信息、終身學習平臺在線學習記錄等） 在跨系統、跨部門流轉過程中，普遍缺乏端到端的加密保護措施。數據存儲環節存在明文存儲現象，傳輸過程也未能完全實現加密通道覆蓋。這種防護缺失狀態既不符合《網絡安全法》《個人信息保護法》等法規要求，也難以應對日益嚴峻的網絡攻擊威脅。

3） 密碼應用合規性挑戰。傳統校園信息系統多采用國際通用密碼算法（如RSA、AES等） ，難以滿足《密碼法》和GM/T 0054《信息系統密碼應用基本要求》對國產密碼算法的強制性規定。特別是歷史遺留系統（如一卡通系統[2]） 由于架構封閉，在進行密碼算法國產化改造時面臨技術適配困難。

1.2 國產密碼算法體系

我國自主研發的商用密碼算法體系（簡稱“國密算法”） 是保障網絡空間安全的核心技術支撐。該體系完整覆蓋了非對稱加密、對稱加密和雜湊算法三大類密碼學應用場景。SM2是基于橢圓曲線離散對數難題的公鑰密碼算法，采用256位素數域實現。與RSA算法相比，在同等安全強度下，SM2的密鑰長度縮短75%，運算效率顯著提升。該算法特別適用于統一身份認證、電子簽章等高安全需求場景；SM3是輸出長度為256位的密碼哈希函數，具有抗碰撞性和雪崩效應等安全特性；SM4作為對稱加密標準，采用非線性迭代結構，支持128位分組長度和密鑰長度。在教育信息化場景中，SM系列算法展現出顯著優勢：SM2可支撐萬人規模的統一認證；SM3為電子成績單等關鍵數據提供完整性保障；SM4則能完美適配4K視頻流加密等高性能需求。這些算法均已通過國家密碼管理局的安全性評估，為智能校園建設提供了可靠的安全技術支撐。

1.3 中臺架構理論場景

基于國產密碼算法的智能校園可信中臺采用“大中臺、小前臺”架構模式。大中臺整合SM2/3/4等國產密碼算法，構建包含密碼運算、密鑰管理、身份認證等六大維度的安全能力池，通過標準化API為各業務系統提供統一安全服務。小前臺采用微服務架構，支持迎新、離校等業務模塊快速接入，通過“灰度+可插拔”機制實現靈活部署。該架構實現了3大能力沉淀：（1） 模型沉淀，將身份認證、電子簽章等業務規則抽象為可復用領域模型。（2） 數據沉淀，記錄所有密碼操作日志用于安全審計。（3） 服務復用，提供身份即服務、簽章即服務等標準化接口。同時，通過封裝SM4加密和聯邦學習等技術，構建隱私計算沙箱，實現“數據可用不可見”的安全數據分析能力。這種架構設計既確保了密碼服務的統一管理，又保持了業務系統的靈活性。

2 智能校園可信中臺總體設計

2.1 設計原則與目標

智能校園可信中臺是基于國產密碼技術精心打造的安全基礎設施，通過提供一系列統一的密碼服務接口，成功實現校園系統中身份認證、數據加密、電子簽章等關鍵功能的標準化與可信化[3]。其核心目標在于解決傳統校園系統中數據孤島、安全防護分散等問題，從而為“一網通辦”“電子證照”等智能校園數字化應用提供堅實的底層安全支撐[4]。

2.2 總體架構

智能校園可信中臺采用分層解耦架構設計，通過算法層、可信服務層、應用層的垂直整合，實現國產密碼技術與校園業務的深度融合。架構設計以“安全可信、開放兼容、高效復用”為原則，支持與現有應用中臺、數據中臺、統一身份認證系統的無縫對接，其核心架構如圖1所示。

2.2.1 算法層

算法層是可信中臺的技術根基，集成SM系列核心密碼算法，提供基礎密碼服務能力。其中，SM4分組密碼算法用于對稱加密，對學生成績、財務信息等校園業務數據進行分塊加密，保障數據存儲與傳輸的機密性，其Gbps級吞吐量滿足高并發需求；SM2橢圓曲線算法實現非對稱加密與簽名，用于身份認證的證書簽發、電子證照簽名等場景，256位密鑰強度可抵御量子攻擊，確保操作不可抵賴；SM3哈希算法生成256位數據指紋，用于驗證數據完整性，如同步教學數據時校驗哈希值以防止篡改；密鑰管理采用“根密鑰（HSM存儲） +業務密鑰（數據庫加密存儲） ”分層體系，保障密鑰全生命周期安全[5]。

2.2.2 可信服務層

可信服務層將算法層能力封裝為標準化微服務接口，向應用層提供可信服務。身份認證服務支持數字證書“可信登錄”，結合校園卡芯片、手機CA證書及多因子認證，對接OAuth 2.0實現“一次認證、全網通行”；數據加密服務提供文件系統層透明加密與API接口應用層加密，通過SM2協商會話密鑰建立跨部門數據共享加密通道；電子簽章服務集成印章制作、審批、簽署全流程，支持PDF/OFD文件在線簽署與實時驗證；安全審計服務實時記錄密碼操作日志，以SM3哈希固化確保不可篡改，支持按時間、角色等維度檢索，滿足等保2.0與密碼合規要求。

2.2.3 應用層

應用層通過可信服務層接口，將密碼能力深度融入校園核心業務場景，如統一身份認證系統、一網通辦平臺和數據中臺等，構建“存可取信、用可追溯”的智能校園安全體系。三層架構通過標準化接口實現無縫對接，確保安全能力的高效復用。

2.3 核心服務模塊設計

2.3.1 統一身份認證服務

可信中臺的核心服務模塊基于國密算法體系構建，采用微服務架構實現安全能力的標準化封裝。各模塊嚴格遵循國家密碼管理局發布的GM/T系列標準規范，確保技術實現的合規性與安全性。統一身份認證服務采用SM2數字證書體系作為技術基礎，構建分布式身份認證架構。該服務通過硬件安全模塊（簡稱“HSM”） 保護根密鑰安全，業務層密鑰采用SM4算法加密存儲。認證流程擴展OAuth 2.0協議規范，在標準授權碼模式中嵌入SM2簽名驗證環節，支持包括手機CA證書在內的多種認證方式。

2.3.2 數據加密服務引擎

數據加密服務引擎提供面向各類數據形態的全生命周期加密保護能力。針對結構化數據，采用SM4-CBC工作模式實現數據庫字段級加密，結合SM2密鑰協商機制完成跨部門數據共享時的動態密鑰分發。對于非結構化數據，通過SM4-GCM算法提供文件系統透明加密功能，支持128位和256位密鑰長度靈活配置。

2.3.3 電子簽章服務

電子簽章服務整合SM2數字簽名算法與SM3哈希算法，構建符合國家標準的電子簽章系統。簽章密鑰對的生成采用SM2算法規范，私鑰存儲在專用硬件設備中，公鑰由校級CA中心簽發數字證書。批量簽署功能采用多線程異步處理架構設計。

3 關鍵技術實現與應用場景

3.1 統一可信身份認證實現

3.1.1 身份認證場景

通過SM2算法實現非對稱加密，結合多因子認證（如動態令牌、生物特征） ，構建“可信登錄”體系。例如，師生登錄統一身份認證系統時，可信中臺通過SM2生成數字證書，對用戶身份進行簽名驗證，防止身份偽造與會話劫持[6]。

3.1.2 數據存儲與傳輸場景

采用SM4算法對校園網內數據進行對稱加密，確保數據在交換機、路由器等節點間傳輸時不被竊取或篡改。對數據庫中的敏感信息使用SM4進行分塊加密，并通過SM3哈希算法校驗數據完整性，防止非法訪問與數據篡改[7]。

3.2 數據全生命周期安全防護

數據分類分級防護基于數據敏感程度實施差異化安全策略。將校園數據劃分為公開數據、內部數據、敏感數據3類：公開數據僅通過SM3哈希算法校驗完整性，確保內容未被篡改；內部數據采用SM4分組密碼算法加密存儲，傳輸時通過SM2協商會話密鑰建立加密通道；敏感數據則結合SM2非對稱加密與基于角色的訪問控制，限制僅授權用戶訪問，同時存儲于支持硬件加密的存儲設備。該機制實現“數據按級防護、權限按責分配”，有效降低敏感數據泄露風險。硬件層面，核心密鑰存儲于HSM，敏感數據存儲于支持SM4透明加密的硬盤，滿足等保2.0三級要求，實現“數據加密存儲、權限精準控制”的雙重防護體系。

3.3 電子證照與可信流程應用

采用SM2數字簽名算法構建電子證照可信體系，其技術實現嚴格遵循《電子文件密碼應用技術規范》標準要求。具體實現流程包括：證照數據標準化處理。通過XMLSchema定義證照數據結構，對學籍證明、成績單等12類校園證照進行元數據規范化處理。采用SM3算法生成256位哈希值作為數據指紋，確保證照內容完整性；多級簽名架構設計。建立“簽發機構-二級學院-業務部門”三級簽名體系：校級證書采用SM2簽名私鑰進行一級簽名；院系級證書通過中臺分配的臨時密鑰進行二級簽名；部門級證書采用基于SM9的標識密碼實現細粒度簽名。簽名過程嵌入國家授時中心的時間戳服務，確保時效性可驗證。

3.4 隱私保護與安全審計

數據分類分級防護基于數據敏感程度實施差異化安全策略。將校園數據劃分為公開數據、內部數據、敏感數據3類。

公開數據：包含校園公告、課程簡介等公開信息，防護要求為通過SM3算法實現完整性校驗，確保數據未經篡改。內部數據：涉及教學日志、考勤記錄等內部資料，采用SM4分組密碼算法的CTR模式進行加密存儲，密鑰由可信中臺統一管理。敏感數據：包括學生生物特征、心理健康檔案等高敏感信息，實施SM2非對稱加密與基于角色的訪問控制雙重防護，密鑰存儲于FIPS 140-2認證的HSM。該機制實現“數據按級防護、權限按責分配”，有效降低敏感數據泄露風險。

4 結束語

本文提出一種基于國產密碼算法的智能校園可信中臺架構，通過分層解耦設計實現安全能力的集約化復用。其貢獻在于構建面向智能校園的國密可信中臺模型，為教育行業信創化提供可復制方案。未來研究可進一步探索零信任架構與區塊鏈技術的融合，構建更可信的教育數字憑證體系。

參考文獻：

[1] 何王軍.基于雙層加密的網絡信息安全傳輸保護方法[J].網絡安全技術與應用，2025（5）：22-24.

[2] 李嵐，鄭菲，姜叢.國產密碼算法標準在交通一卡通智慧出行領域的實踐[J].信息技術與標準化，2024（S1）：12-16，30.

[3] 徐建斌，陳旻瑞.國產密碼算法PKI系統在江西高速聯網收費業務中的應用[J].中國交通信息化，2024（3）：76-79.

[4] 陳雪松，趙海淇，李秀瀅.基于國產FPGA的可選算法引擎的密碼模塊實現[J].北京電子科技學院學報，2024，32（1）：12-22.

[5] 滕杰英，吳嵐.探究國產商用密碼算法的應用[J].信息與電腦（理論版），2023，35（16）：215-217.

[6] 安文政.國產密碼算法在信創領域中的研究及應用[J].信息記錄材料，2024，25（3）：1-3，6.

[7] 顏海龍，王樹蘭.基于國產密碼技術的不動產登記集成辦事平臺設計與實現[J].信息網絡安全，2024，24（2）：303-308.

【通聯編輯：代影】