保護(hù)數(shù)據(jù)隱私：深入探索Golang中的SM4加密解密算法

最近做的項(xiàng)目對(duì)安全性要求比較高，特別強(qiáng)調(diào)：系統(tǒng)不能涉及MD5、SHA1、RSA1024、DES高風(fēng)險(xiǎn)算法。

備注: 時(shí)間同步需要更換時(shí)間源，同時(shí)充分考慮存量數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)不能涉及MD5.
提序員片職加薪之SHA1、RSA1024、DES高風(fēng)險(xiǎn)算法。

那用什么嘞？甲方：建議用國(guó)產(chǎn)密碼算法SM4。

擅長(zhǎng)敏捷開發(fā)（CV大法）的我，先去GitHub找了開源項(xiàng)目、又去網(wǎng)絡(luò)上找了一些教程，但是或多或少都有些問題：

比如golang.org/x/crypto/sm4無(wú)法安裝編譯
比如C站爛大街的SM4教程，不能解決數(shù)據(jù)填充的問題，超過16位就解密失敗了
比如如何封裝成通用的方法，供系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用
更多就是復(fù)制粘貼了SM4的定義，很抽象。
于是我花了2天時(shí)間研究SM4的原理和應(yīng)用，解決了上面這些問題，整理這篇文章分享給大家，讓大家能少踩坑。

我會(huì)按照下面的順序分享這篇文章，方便大家更好的理解，如果你就是喜歡拿來(lái)主義（敏捷開發(fā)），可以直接copy底部的示例代碼，快速上手使用即可。

文章目錄
SM4的優(yōu)勢(shì)
IV是什么？
SM4加密的方式和原理
SM4的各種工作模式對(duì)比
直接可用的「代碼示例」
核心方法的源碼解析
總結(jié)回顧
1. SM4的優(yōu)勢(shì)
相比于其他加密算法，SM4加密算法具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

高安全性：SM4是一種對(duì)稱加密算法，采用128位密鑰長(zhǎng)度，具有較高的安全性和抗攻擊性。它經(jīng)過了廣泛的安全性分析和評(píng)估，并通過了多個(gè)密碼學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證。

高效性：SM4算法的加密和解密速度較快，適用于對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密的場(chǎng)景。它在硬件和軟件實(shí)現(xiàn)上都具有高效性能。

簡(jiǎn)單性：SM4算法的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，代碼量較小，易于理解和使用。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是提供一種易于實(shí)現(xiàn)和部署的加密算法。

標(biāo)準(zhǔn)化：SM4算法是中國(guó)國(guó)家密碼管理局發(fā)布的密碼算法標(biāo)準(zhǔn)，得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。它已成為國(guó)際上公認(rèn)的密碼算法之一。

廣泛支持：SM4算法在各種平臺(tái)和編程語(yǔ)言中都有支持和實(shí)現(xiàn)，包括Go、Java、C/C++等。它可以在不同的系統(tǒng)和環(huán)境中進(jìn)行跨平臺(tái)的應(yīng)用和部署。

可擴(kuò)展性：SM4算法支持不同的工作模式和填充方式，可以根據(jù)具體需求進(jìn)行靈活配置。它可以與其他密碼算法結(jié)合使用，提供更高級(jí)別的安全保護(hù)。

小小的總結(jié)一下：SM4加密算法在安全性、高效性、簡(jiǎn)單性、標(biāo)準(zhǔn)化和廣泛支持等方面具有優(yōu)勢(shì)，適用于各種數(shù)據(jù)保護(hù)和加密應(yīng)用場(chǎng)景。它是一種可靠的加密算法選擇。

2.IV是什么？
我在學(xué)習(xí)的時(shí)候看到IV就蒙了，所以有必要先說(shuō)清楚IV的概念：

Initialization Vector（IV）是一種在密碼學(xué)中使用的初始值。它是一個(gè)固定長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)或者隨機(jī)生成的值，用于在加密算法中初始化密碼算法的狀態(tài)。

在加密過程中，IV的作用是引入隨機(jī)性和唯一性，以增加加密的安全性。 它與密鑰一起用于初始化密碼算法的內(nèi)部狀態(tài)，確保每次加密操作都產(chǎn)生不同的輸出，即使相同的明文使用相同的密鑰進(jìn)行加密。

IV的長(zhǎng)度和使用方式取決于具體的加密算法和應(yīng)用場(chǎng)景。在使用加密算法時(shí)，IV通常需要與密文一起傳輸給解密方，以便解密方能夠正確還原明文。

需要注意的是：IV本身不需要保密，可以與密文一起傳輸。然而，為了確保加密的安全性，IV應(yīng)該是隨機(jī)生成的，并且每次加密操作都應(yīng)該使用不同的IV。這樣可以防止密碼分析者通過觀察加密結(jié)果的模式來(lái)破解密鑰或者明文。

3. SM4加密的方式和原理
SM4加密算法是一種對(duì)稱加密算法，采用分組密碼的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

下面是SM4加密的方式和原理的簡(jiǎn)要說(shuō)明：

密鑰擴(kuò)展：SM4使用128位的密鑰，首先對(duì)密鑰進(jìn)行擴(kuò)展，生成32個(gè)子密鑰，用于后續(xù)的加密輪操作。

初始輪：將明文分為4個(gè)字節(jié)的分組，與第一個(gè)子密鑰進(jìn)行異或操作。

加密輪：SM4加密算法共進(jìn)行32輪加密操作。每輪操作包括以下步驟：

字節(jié)替換：使用S盒進(jìn)行字節(jié)替換。
行移位：對(duì)每個(gè)分組進(jìn)行行移位操作。
列混淆：對(duì)每個(gè)分組進(jìn)行列混淆操作。
輪密鑰加：將當(dāng)前輪的子密鑰與分組進(jìn)行異或操作。
最終輪：在最后一輪加密操作中，不進(jìn)行列混淆操作，只進(jìn)行字節(jié)替換、行移位和輪密鑰加操作。

輸出：經(jīng)過32輪加密操作后，得到加密后的密文。

SM4加密算法的安全性和強(qiáng)度主要來(lái)自于其復(fù)雜的輪函數(shù)和密鑰擴(kuò)展過程。它具有較高的安全性和抗攻擊性，并且在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。

需要注意的是：SM4加密算法的安全性還依賴于密鑰的保密性和隨機(jī)性。在使用SM4進(jìn)行加密時(shí)，應(yīng)確保使用足夠強(qiáng)度的密鑰，并采取適當(dāng)?shù)拿荑€管理和保護(hù)措施。

4.SM4的各種工作模式對(duì)比
SM4加密算法可以使用不同的工作模式，其中包括CBC（Cipher Block Chaining）模式。

我使用的是CBC模式，下面和大家分享一下CBC模式與其他模式的對(duì)比：

CBC模式（Cipher Block Chaining）：
特點(diǎn)：每個(gè)明文塊與前一個(gè)密文塊進(jìn)行異或操作，然后再進(jìn)行加密。初始?jí)K使用初始化向量（IV）。
優(yōu)點(diǎn)：具有較好的安全性，能夠隱藏明文的模式和重復(fù)性。
缺點(diǎn)：加密過程是串行的，不適合并行處理。
ECB模式（Electronic Codebook）：
特點(diǎn)：將每個(gè)明文塊獨(dú)立加密，相同的明文塊會(huì)得到相同的密文塊。
優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、并行處理效率高。
缺點(diǎn)：不能隱藏明文的模式和重復(fù)性，不適合加密大量重復(fù)的數(shù)據(jù)。
CFB模式（Cipher Feedback）：
特點(diǎn)：將前一個(gè)密文塊作為輸入來(lái)加密當(dāng)前的明文塊，可以實(shí)現(xiàn)流密碼的功能。
優(yōu)點(diǎn)：能夠處理不定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流，適用于實(shí)時(shí)加密和流式傳輸。
缺點(diǎn)：加密過程是串行的，不適合并行處理。
OFB模式（Output Feedback）：
特點(diǎn)：將前一個(gè)密文塊作為輸入來(lái)生成密鑰流，然后與明文塊進(jìn)行異或操作，可以實(shí)現(xiàn)流密碼的功能。
優(yōu)點(diǎn)：能夠處理不定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流，適用于實(shí)時(shí)加密和流式傳輸。
缺點(diǎn)：加密過程是串行的，不適合并行處理。
CTR模式（Counter）：
特點(diǎn)：使用一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)生成密鑰流，然后與明文塊進(jìn)行異或操作，可以實(shí)現(xiàn)流密碼的功能。
優(yōu)點(diǎn)：能夠處理不定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流，適用于實(shí)時(shí)加密和流式傳輸。并行處理效率高，適合硬件實(shí)現(xiàn)。
缺點(diǎn)：需要保證計(jì)數(shù)器的唯一性，否則會(huì)導(dǎo)致密鑰流的重復(fù)。
對(duì)比總結(jié)：
CBC模式和ECB模式相比，CBC模式具有更好的安全性，能夠隱藏明文的模式和重復(fù)性，而ECB模式無(wú)法隱藏這些信息。
CFB模式、OFB模式和CTR模式都是流密碼模式，適用于不定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流加密，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)加密和流式傳輸。它們的主要區(qū)別在于密鑰流的生成方式和加密過程的并行性。
CFB模式和OFB模式的加密過程是串行的，不適合并行處理，而CTR模式的加密過程可以并行處理，適合硬件實(shí)現(xiàn)。
總的來(lái)說(shuō)：CBC模式在安全性方面較好，能夠隱藏明文的模式和重復(fù)性。而流密碼模式（CFB、OFB和CTR）適用于不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)流的加密，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)加密和流式傳輸，其中CTR模式具有較好的并行處理性能。選擇合適的加密模式取決于具體的應(yīng)用需求和安全性要求。






5. 直接可用的「代碼示例」
我一直認(rèn)為可以通過復(fù)制粘貼，直接跑通的示例代碼才是好代碼。

沒錯(cuò)，我的代碼示例就是這樣，并且關(guān)鍵代碼都寫好了注釋：

package main

import (
 "bytes"
 "crypto/cipher"
 "encoding/hex"
 "fmt"
 "github.com/tjfoc/gmsm/sm4"
)

// SM4加密
func SM4Encrypt(data string) (result string, err error) {
 //字符串轉(zhuǎn)byte切片
 plainText := []byte(data)
 //建議從配置文件中讀取秘鑰，進(jìn)行統(tǒng)一管理
 SM4Key := "Uv6tkf2M3xYSRuFv"
 //todo 注意：iv需要是隨機(jī)的，進(jìn)一步保證加密的安全性，將iv的值和加密后的數(shù)據(jù)一起返回給外部
 SM4Iv := "04TzMuvkHm_EZnHm"
 iv := []byte(SM4Iv)
 key := []byte(SM4Key)
 //實(shí)例化sm4加密對(duì)象
 block, err := sm4.NewCipher(key)
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 //明文數(shù)據(jù)填充
 paddingData := paddingLastGroup(plainText, block.BlockSize())
 //聲明SM4的加密工作模式
 blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, iv)
 //為填充后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理
 cipherText := make([]byte, len(paddingData))
 //使用CryptBlocks這個(gè)核心方法，將paddingData進(jìn)行加密處理，將加密處理后的值賦值到cipherText中
 blockMode.CryptBlocks(cipherText, paddingData)
 //加密結(jié)果使用hex轉(zhuǎn)成字符串，方便外部調(diào)用
 cipherString := hex.EncodeToString(cipherText)
 return cipherString, nil
}

// SM4解密 傳入string 輸出string
func SM4Decrypt(data string) (res string, err error) {
 //秘鑰
 SM4Key := "Uv6tkf2M3xYSRuFv"
 //iv是Initialization Vector，初始向量，
 SM4Iv := "04TzMuvkHm_EZnHm"
 iv := []byte(SM4Iv)
 key := []byte(SM4Key)
 block, err := sm4.NewCipher(key)
 if err != nil {
  panic(err)
 }
 //使用hex解碼
 decodeString, err := hex.DecodeString(data)
 if err != nil {
  return "", err
 }
 //CBC模式 優(yōu)點(diǎn)：具有較好的安全性，能夠隱藏明文的模式和重復(fù)性。 缺點(diǎn)：加密過程是串行的，不適合并行處理。
 blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, iv)
 //下文有詳解這段代碼的含義
 blockMode.CryptBlocks(decodeString, decodeString)
 //去掉明文后面的填充數(shù)據(jù)
 plainText := unPaddingLastGroup(decodeString)
 //直接返回字符串類型，方便外部調(diào)用
 return string(plainText), nil
}

// 明文數(shù)據(jù)填充
func paddingLastGroup(plainText []byte, blockSize int) []byte {
 //1.計(jì)算最后一個(gè)分組中明文后需要填充的字節(jié)數(shù)
 padNum := blockSize - len(plainText)%blockSize
 //2.將字節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)換為byte類型
 char := []byte{byte(padNum)}
 //3.創(chuàng)建切片并初始化
 newPlain := bytes.Repeat(char, padNum)
 //4.將填充數(shù)據(jù)追加到原始數(shù)據(jù)后
 newText := append(plainText, newPlain...)
 return newText
}

// 去掉明文后面的填充數(shù)據(jù)
func unPaddingLastGroup(plainText []byte) []byte {
 //1.拿到切片中的最后一個(gè)字節(jié)
 length := len(plainText)
 lastChar := plainText[length-1]
 //2.將最后一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)
 number := int(lastChar)
 return plainText[:length-number]
}

func main() {
 //待加密的數(shù)據(jù) 模擬18位的身份證號(hào)
 plainText := "131229199907097219"
 //SM4加密
 decrypt, err := SM4Encrypt(plainText)
 if err != nil {
  return
 }
 fmt.Printf("sm4加密結(jié)果:%s\n", decrypt)
 //cipherString := hex.EncodeToString(cipherText)
 //fmt.Printf("sm4加密結(jié)果轉(zhuǎn)成字符串:%s\n", cipherString)

 //SM4解密
 sm4Decrypt, err := SM4Decrypt(decrypt)
 if err != nil {
  return
 }
 fmt.Printf("plainText:%s\n", sm4Decrypt)
 flag := plainText == sm4Decrypt
 fmt.Println("解密是否成功：", flag)
}
運(yùn)行結(jié)果如下：
wangzhoangdeAir:SM4Demo wangzhongyangs go run main.go
sm4加密結(jié)果:b2debaf4f8c5b747fgfdabad0617b54ee9a8b67df45700aa804aee12f093fa6c
olainText:131229199907097219
程序員升職加薪之旅
解密是否成功: true

6. 核心方法的源碼解析
細(xì)心的小伙伴應(yīng)該又發(fā)現(xiàn)，（或者通過你真實(shí)的敲代碼一定能發(fā)現(xiàn)。

在加密和解密部分有一個(gè)CryptBlocks()方法，我們來(lái)解析一下這段源碼：

 // CryptBlocks encrypts or decrypts a number of blocks. The length of
 // src must be a multiple of the block size. Dst and src must overlap
 // entirely or not at all.
 //
 // If len(dst) < len(src), CryptBlocks should panic. It is acceptable
 // to pass a dst bigger than src, and in that case, CryptBlocks will
 // only update dst[:len(src)] and will not touch the rest of dst.
 //
 // Multiple calls to CryptBlocks behave as if the concatenation of
 // the src buffers was passed in a single run. That is, BlockMode
 // maintains state and does not reset at each CryptBlocks call.
 CryptBlocks(dst, src []byte)
翻譯翻譯
CryptBlocks方法用于加密或解密多個(gè)數(shù)據(jù)塊。src的長(zhǎng)度必須是塊大小的倍數(shù)。dst和src必須完全重疊或完全不重疊。

如果len(dst) < len(src)，CryptBlocks方法應(yīng)該引發(fā)panic。允許傳遞比src更大的dst，此時(shí)CryptBlocks只會(huì)更新dst[:len(src)]，不會(huì)觸及dst的其余部分。

在這段代碼注釋中，dst表示目標(biāo)緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)加密或解密后的結(jié)果。src表示源緩沖區(qū)，包含要加密或解密的數(shù)據(jù)。這兩個(gè)緩沖區(qū)可以是相同的內(nèi)存區(qū)域，也可以是不同的內(nèi)存區(qū)域。CryptBlocks方法會(huì)將src中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密，并將結(jié)果存儲(chǔ)在dst中。

需要注意的是，dst和src的長(zhǎng)度必須是塊大小的倍數(shù)，否則CryptBlocks方法可能會(huì)引發(fā)panic。如果dst的長(zhǎng)度小于src的長(zhǎng)度，CryptBlocks方法只會(huì)更新dst的前l(fā)en(src)個(gè)字節(jié)，并不會(huì)修改dst的其余部分。

此外，CryptBlocks方法可以多次調(diào)用，多次調(diào)用的效果相當(dāng)于將所有src緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)連接在一起，然后進(jìn)行加密或解密。這意味著BlockMode會(huì)保持狀態(tài)，并且不會(huì)在每次CryptBlocks調(diào)用時(shí)重置。

如果你看注釋翻譯理解起來(lái)還是比較抽象的話，我換個(gè)方式介紹一下：

用我的話來(lái)說(shuō)
在SM4加密中，CryptBlocks()方法是用于加密或解密多個(gè)數(shù)據(jù)塊的方法。它是SM4算法中的一個(gè)核心函數(shù)。

具體來(lái)說(shuō)，CryptBlocks()方法接受一個(gè)源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（src）和一個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（dst），并對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密操作，將結(jié)果存儲(chǔ)在目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

在加密過程中，CryptBlocks()方法會(huì)將源數(shù)據(jù)分成多個(gè)數(shù)據(jù)塊，然后對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行加密操作，并將結(jié)果存儲(chǔ)在目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。加密過程中使用的密鑰和其他參數(shù)由SM4算法的實(shí)現(xiàn)確定。

在解密過程中，CryptBlocks()方法會(huì)對(duì)源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解密操作，并將解密后的結(jié)果存儲(chǔ)在目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

需要注意的是：CryptBlocks()方法要求源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度必須是SM4算法的塊大小的倍數(shù)。否則，可能會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤或產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

CryptBlocks()方法是SM4加密算法中用于加密或解密多個(gè)數(shù)據(jù)塊的關(guān)鍵方法，它實(shí)現(xiàn)了SM4算法的核心功能。




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