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國密算法（SM2/SM3/SM4）詳解：從性能對比到Java手機號安全處理實戰

隨著信息安全上升為國家戰略，國密（國家商用密碼）算法在金融、政務、物聯網等關鍵領域得到了廣泛應用。本文將帶您深入了解國密的核心算法（SM2/SM3/SM4），對比它們的性能差異，并提供一份在Java中安全處理手機號的完整代碼示例。

一、 國密核心算法簡介

國密算法是一套由國家密碼管理局發布的商用密碼標準，主要包含以下三個核心算法：

1. SM2：非對稱加密算法

   • 類型：非對稱加密與簽名算法。
   • 對標：國際上的 ECC（橢圓曲線密碼算法），功能類似 RSA。
   • 用途：主要用于數字簽名、身份認證和密鑰協商。由于其計算復雜度高，不適合加密大量數據，通常用于加密對稱密鑰（如SM4的密鑰）或對數據摘要進行簽名。

2. SM3：哈希算法

   • 類型：密碼雜湊算法（哈希函數）。
   • 對標：國際上的 SHA-256。
   • 用途：用于生成數據的唯一“數字指紋”，以保證數據完整性和身份驗證。它是一個單向函數，意味著無法從哈希值反推出原文。這是存儲密碼、手機號等敏感信息的理想選擇。

3. SM4：對稱加密算法

   • 類型：對稱加密算法（分組密碼）。
   • 對標：國際上的 AES。
   • 用途：用于大量數據（如文件、通信報文）的加密和解密。收發雙方使用相同的密鑰進行加解密，速度快，效率高。

二、 性能深度對比

這三個算法的設計目標不同，因此性能差異巨大。簡單來說，它們的計算速度排行如下：

SM3 (最快) > SM4 (很快) > SM2 (相對最慢)

算法	類型	計算復雜度	相對速度	形象比喻
SM3	哈希算法	最低（位運算、邏輯運算）	最快	指紋識別器：瞬間完成，給出唯一結果。
SM4	對稱加密	中等（多輪迭代、查表）	很快	保險箱：用同一把鑰匙開關，操作迅速。
SM2	非對稱加密	最高（橢圓曲線點乘運算）	最慢	銀行保險柜：開戶和存取手續嚴謹復雜，但安全性最高。

• 為什么SM3最快？ 它的計算是純粹的位運算，CPU執行效率極高，專為速度而生。
• 為什么SM4居中？ 它需要對數據分組并進行多輪復雜的迭代變換，比SM3慢，但遠快于SM2，適合處理大數據。
• 為什么SM2最慢？ 它基于復雜的橢圓曲線數學難題，計算量巨大，但提供了非對稱加密獨有的安全性（如密鑰交換和數字簽名）。

三、 Java實戰：手機號的安全處理

對于“加密”手機號，我們有兩種主流且安全的方案，適用于不同業務場景。

方案一：使用SM3哈希存儲（推薦用于驗證場景）

當你的業務只需要驗證用戶輸入的手機號是否正確，而不需要知道手機號原文時（例如用戶注冊、登錄），這是最安全、最推薦的做法。

• 優點：不可逆。即使數據庫泄露，攻擊者也無法獲得原始手機號。
• 實踐：結合**加鹽（Salt）**可以抵御彩虹表攻擊，安全性更高。

方案二：使用SM4加密存儲（用于需要原文的場景）

當你的業務必須使用手機號原文時（例如發送短信驗證碼、進行外呼），你需要使用可逆的對稱加密。

• 優點：可以解密還原出原始手機號。
• 挑戰：密鑰的保護至關重要。密鑰一旦泄露，所有數據都將暴露。

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Java代碼示例

首先，請確保你的項目中已添加 Bouncy Castle 依賴。

Maven pom.xml:

<dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk18on</artifactId><version>1.78.1</version>
</dependency>

示例1：使用SM3哈希手機號（含加鹽）

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.bouncycastle.util.encoders.Hex;import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.Security;/*** 國密 SM3 哈希工具類（推薦用于密碼、手機號等敏感信息的存儲）*/
public class Sm3Demo {static {// 注冊 Bouncy Castle 提供者if (Security.getProvider(BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME) == null) {Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());}}/*** 生成一個安全的隨機鹽* @param aLength 鹽的字節長度* @return 十六進制表示的鹽字符串*/public static String generateSalt(int length) {SecureRandom random = new SecureRandom();byte[] salt = new byte[length];random.nextBytes(salt);return Hex.toHexString(salt);}/*** 對輸入字符串進行加鹽 SM3 哈希** @param input 待哈希的原文* @param salt  鹽值（十六進制字符串）* @return 64位的十六進制哈希值*/public static String hashWithSalt(String input, String salt) {if (input == null || salt == null) {return null;}// 鹽值在前或在后，或混合都可以，但要保持一致String dataToHash = salt + input;try {MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SM3", BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);byte[] hashBytes = digest.digest(dataToHash.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));return Hex.toHexString(hashBytes);} catch (NoSuchAlgorithmException e) {throw new RuntimeException("SM3 algorithm not found", e);}}public static void main(String[] args) {String phoneNumber = "15888888888";// 1. 為該手機號生成一個唯一的鹽// 在實際應用中，這個鹽需要與哈希值一起存儲在數據庫的用戶記錄中String salt = generateSalt(16); // 生成16字節（32個十六進制字符）的鹽System.out.println("原始手機號: " + phoneNumber);System.out.println("生成的鹽 (Salt): " + salt);// 2. 計算加鹽后的哈希值String hashedPhoneNumber = hashWithSalt(phoneNumber, salt);System.out.println("SM3 加鹽哈希值: " + hashedPhoneNumber);System.out.println("哈希值長度: " + hashedPhoneNumber.length());// 3. 驗證過程 (模擬用戶登錄)System.out.println("\n--- 用戶驗證 ---");String userInputPhone = "15888888888";// 從數據庫中取出該用戶存儲的 salt 和 hashedPhoneNumberString storedSalt = salt;String storedHash = hashedPhoneNumber;// 使用相同的鹽對用戶輸入進行哈希String verificationHash = hashWithSalt(userInputPhone, storedSalt);System.out.println("驗證哈希: " + verificationHash);System.out.println("驗證是否通過: " + storedHash.equals(verificationHash));// 錯誤輸入String wrongInputPhone = "15800000000";String wrongVerificationHash = hashWithSalt(wrongInputPhone, storedSalt);System.out.println("錯誤輸入驗證是否通過: " + storedHash.equals(wrongVerificationHash));}
}

示例2：使用SM4加密/解密手機號

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import org.bouncycastle.util.encoders.Base64;import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.Security;/*** 國密 SM4 對稱加密工具類（用于需要還原原文的場景）*/
public class Sm4Demo {static {if (Security.getProvider(BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME) == null) {Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());}}private static final String ALGORITHM_NAME = "SM4";// SM4/CBC/PKCS5Padding 是一種常用的加密模式// CBC 模式需要一個初始化向量 (IV)private static final String PADDING_MODE = "SM4/CBC/PKCS5Padding";/*** 生成一個 SM4 密鑰 (128位/16字節)* @return Base64 編碼的密鑰字符串*/public static String generateKey() throws Exception {KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(ALGORITHM_NAME, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);kg.init(128, new SecureRandom());return Base64.toBase64String(kg.generateKey().getEncoded());}/*** 生成一個初始化向量 (IV) (128位/16字節)* @return Base64 編碼的 IV 字符串*/public static String generateIv() {byte[] iv = new byte[16];new SecureRandom().nextBytes(iv);return Base64.toBase64String(iv);}/*** SM4 加密* @param plainText 明文* @param key Base64 編碼的密鑰* @param iv Base64 編碼的 IV* @return Base64 編碼的密文*/public static String encrypt(String plainText, String key, String iv) throws Exception {SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(Base64.decode(key), ALGORITHM_NAME);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(Base64.decode(iv));Cipher cipher = Cipher.getInstance(PADDING_MODE, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));return Base64.toBase64String(encryptedBytes);}/*** SM4 解密* @param cipherText Base64 編碼的密文* @param key Base64 編碼的密鑰* @param iv Base64 編碼的 IV* @return 明文*/public static String decrypt(String cipherText, String key, String iv) throws Exception {SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(Base64.decode(key), ALGORITHM_NAME);IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(Base64.decode(iv));Cipher cipher = Cipher.getInstance(PADDING_MODE, BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.decode(cipherText));return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);}public static void main(String[] args) throws Exception {String phoneNumber = "15888888888";// 在真實應用中，密鑰和 IV 必須被安全地存儲和管理，例如使用硬件加密機(HSM)或配置中心String sm4Key = generateKey();String sm4Iv = generateIv();System.out.println("原始手機號: " + phoneNumber);System.out.println("SM4 密鑰 (Base64): " + sm4Key);System.out.println("SM4 IV (Base64): " + sm4Iv);// 加密String encryptedPhone = encrypt(phoneNumber, sm4Key, sm4Iv);System.out.println("SM4 加密后 (Base64): " + encryptedPhone);// 解密String decryptedPhone = decrypt(encryptedPhone, sm4Key, sm4Iv);System.out.println("SM4 解密后: " + decryptedPhone);System.out.println("解密是否成功: " + phoneNumber.equals(decryptedPhone));}
}

結論

• 選擇合適的工具：沒有“最好”的算法，只有“最合適”的場景。請根據你的業務需求選擇正確的國密算法。
• SM3哈希優先：當處理用戶密碼、手機號等用于驗證的敏感信息時，優先采用SM3加鹽哈希，這是最安全的存儲方式。
• 謹慎使用SM4：只有在業務流程中確實需要恢復原文時，才使用SM4加密。同時，必須投入資源確保密鑰的安全，因為密鑰就是一切。
• 協同工作：在復雜的系統中，SM2、SM3、SM4往往協同工作，共同構建起一個完整的、高強度的安全體系。