SM4对称加密算法_sm4秘钥生成

背景

这篇文章主要是记录下，sm4密钥生成的过程。因为对称加密暂时没什么好说的，分组加密的模式ECB和CBC等，优劣如果大家有疑问可以自行百度下。

先说下背景，是因为项目需要改造为sm4的前后端加解密算法，然后和前端同事一起改造。

问题

涉及到128bits的密钥生成出现了岔子，导致前端生成的密钥后端无法解密了，报的错误就是：密钥不是128bits。原因是前端随机生成了32长度的字符串，但却一直报上面的错误！由此，对密钥的生成产生了一些疑问。最终搞清楚了，下面说下这个过程。

密钥生成

先来科普下小常识，8bits=1byte，就是8位等于1字节，2个字节等于一个字符。

那sm4需要的是128bits的字符串，那怎么生成32长度字符串呢？那32长度的字符串是怎么来的呢？看代码很容易就看出来了。

new String(Hex.encodeHex(generateKey(DEFAULT_KEY_SIZE), false))
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这段代码可以分三个来看：

byte[] key = generateKey(DEFAULT_KEY_SIZE);// length = 16
char[] keyCharArr = Hex.encodeHex(key, false);// length = 32
new String(keyCharArr , false));// length = 32
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这就是说：随机来128比特的二进制，得到16字节数组，再用Hex把16字节的数组转化为32长度的字符数组，注意1字节=2个十六进制字符，所以到此生成了32长度的字符串。

注意！！！
按照这个思路反推前端同事随机生成32长度字符串，32字符理论上能推回是128bits，但是套到代码里确没有如愿！后来发现了问题，

十六进制（简写为hex或下标16）是一种基数为16的计数系统，逢16进1。通常用数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和字母A、B、C、D、E、F（或其大写形式A_{F）表示，其中，A}F表示10~15，这些称作十六进制数字

问题就在这里，随机生成的字符串超过了F，用到了其他的字母，导致无法反推，改为按照十六进制的正常表示生成随机字符串就没问题了。

SM4实现

Sm4加密算法Java工具类代码如下：

import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.bouncycastle.pqc.math.linearalgebra.ByteUtils;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.Key;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.Security;
import java.util.Arrays;

public class Sm4Util {
    static {
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

    private static final String ENCODING = "UTF-8";
    public static final String ALGORITHM_NAME = "SM4";
    // 加密算法/分组加密模式/分组填充方式
    // PKCS5Padding-以8个字节为一组进行分组加密
    // 定义分组加密模式使用：PKCS5Padding
    public static final String ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING = "SM4/ECB/PKCS5Padding";
    // 128-32位16进制；256-64位16进制
    public static final int DEFAULT_KEY_SIZE = 128;

    /**
     * 自动生成密钥
     *
     * @return
     * @explain
     */
    public static String generateKey() throws Exception {
        return new String(Hex.encodeHex(generateKey(DEFAULT_KEY_SIZE), false));
    }

    /**
     * @param keySize
     * @return
     * @throws Exception
     * @explain
     */
    public static byte[] generateKey(int keySize) throws Exception {
        KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM_NAME, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);
        kg.init(keySize, new SecureRandom());
        return kg.generateKey().getEncoded();
    }

    /**
     * 生成ECB暗号
     *
     * @param algorithmName 算法名称
     * @param mode          模式
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     * @explain ECB模式（电子密码本模式：Electronic codebook）
     */
    private static Cipher generateEcbCipher(String algorithmName, int mode, byte[] key) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithmName, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);
        Key sm4Key = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM_NAME);
        cipher.init(mode, sm4Key);
        return cipher;
    }

    /**
     * sm4加密
     *
     * @param hexKey   16进制密钥（忽略大小写）
     * @param paramStr 待加密字符串
     * @return 返回16进制的加密字符串
     * @explain 加密模式：ECB
     * 密文长度不固定，会随着被加密字符串长度的变化而变化
     */
    public static String encryptEcb(String hexKey, String paramStr) {
        try {
            String cipherText = "";
            // 16进制字符串-->byte[]
            byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
            // String-->byte[]
            byte[] srcData = paramStr.getBytes(ENCODING);
            // 加密后的数组
            byte[] cipherArray = encrypt_Ecb_Padding(keyData, srcData);
            // byte[]-->hexString
            cipherText = ByteUtils.toHexString(cipherArray);
            return cipherText;
        } catch (Exception e) {
            return paramStr;
        }
    }

    /**
     * 加密模式之Ecb
     *
     * @param key
     * @param data
     * @return
     * @throws Exception
     * @explain
     */
    public static byte[] encrypt_Ecb_Padding(byte[] key, byte[] data) throws Exception {
        Cipher cipher = generateEcbCipher(ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING, Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * sm4解密
     *
     * @param hexKey     16进制密钥
     * @param cipherText 16进制的加密字符串（忽略大小写）
     * @return 解密后的字符串
     * @throws Exception
     * @explain 解密模式：采用ECB
     */
    public static String decryptEcb(String hexKey, String cipherText) {
        // 用于接收解密后的字符串
        String decryptStr = "";
        // hexString-->byte[]
        byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
        // hexString-->byte[]
        byte[] cipherData = ByteUtils.fromHexString(cipherText);
        // 解密
        byte[] srcData = new byte[0];
        try {
            srcData = decrypt_Ecb_Padding(keyData, cipherData);
            // byte[]-->String
            decryptStr = new String(srcData, ENCODING);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            /*解密失败，返回原报文*/
            return cipherText;
        }
        return decryptStr;
    }

    /**
     * 解密
     *
     * @param key
     * @param cipherText
     * @return
     * @throws Exception
     * @explain
     */
    public static byte[] decrypt_Ecb_Padding(byte[] key, byte[] cipherText) throws Exception {
        Cipher cipher = generateEcbCipher(ALGORITHM_NAME_ECB_PADDING, Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        return cipher.doFinal(cipherText);
    }

    /**
     * 校验加密前后的字符串是否为同一数据
     *
     * @param hexKey     16进制密钥（忽略大小写）
     * @param cipherText 16进制加密后的字符串
     * @param paramStr   加密前的字符串
     * @return 是否为同一数据
     * @throws Exception
     * @explain
     */
    public static boolean verifyEcb(String hexKey, String cipherText, String paramStr) throws Exception {
        // 用于接收校验结果
        boolean flag = false;
        // hexString-->byte[]
        byte[] keyData = ByteUtils.fromHexString(hexKey);
        // 将16进制字符串转换成数组
        byte[] cipherData = ByteUtils.fromHexString(cipherText);
        // 解密
        byte[] decryptData = decrypt_Ecb_Padding(keyData, cipherData);
        // 将原字符串转换成byte[]
        byte[] srcData = paramStr.getBytes(ENCODING);
        // 判断2个数组是否一致
        flag = Arrays.equals(decryptData, srcData);
        return flag;
    }

}
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