随着网络安全法和等保 2.0 的实施，国密算法（National Secret Algorithms）在金融、政务、物联网等领域的应用已成为合规的标配。本文将深入探讨 SM2、SM3、SM4 等核心算法的技术原理，对比国际标准算法，并提供详细的 Node.js 实战指南。

1. 国密算法背景

国密算法是由中国国家密码管理局发布的密码算法标准，旨在摆脱对国外密码技术的依赖，保障国家信息安全。

为什么需要国密？

  • 自主可控：避免算法后门和潜在的安全漏洞。
  • 合规要求：金融、政务等关键基础设施必须使用国密算法。
  • 性能优势：部分国密算法（如 SM2）在同等安全强度下，性能优于国际标准算法。

2. 核心算法深度解析

2.1 SM2：椭圆曲线公钥密码算法

SM2 是一种基于椭圆曲线密码（ECC）的非对称加密算法。

  • 原理：基于椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）。
  • 密钥长度：推荐使用 256 位。
  • 安全性：SM2-256 的安全强度相当于 RSA-2048 到 RSA-3072 之间，但密钥长度远小于 RSA。
  • 功能：
    • 数字签名：用于身份认证和数据完整性保护。
    • 密钥交换：用于通信双方协商会话密钥。
    • 公钥加密：用于数据加密传输。

SM2 vs RSA:

特性 SM2 (256位) RSA (2048位)
算法结构 ECC 大数分解
密钥生成速度 快 (100倍+) 慢
加解密速度 快 解密慢
签名速度 快 验签快
密文长度 短 长

2.2 SM3：密码杂凑算法

SM3 是一种密码杂凑（Hash）算法，用于生成消息摘要。

  • 输出长度：256 位（32 字节）。
  • 结构：Merkle-Damgård 结构。
  • 安全性：抗碰撞性优于 MD5 和 SHA-1，与 SHA-256 相当，但设计上针对特定攻击进行了优化。

应用场景：

  • 用户密码存储（加盐 Hash）
  • 文件完整性校验
  • 数字签名中的摘要生成

2.3 SM4：分组密码算法

SM4 是一种分组密码算法（对称加密），原名 SMS4，最初用于无线局域网 WAPI 标准。

  • 分组长度：128 位（16 字节）。
  • 密钥长度：128 位。
  • 轮数：32 轮非线性迭代。
  • 安全性：与 AES-128 相当。

SM4 vs AES:

特性 SM4 AES
密钥长度 128位 128/192/256位
分组长度 128位 128位
结构 非平衡 Feistel SP 网络
效率 软硬件实现均高效 极高 (有指令集支持)

3. 实战：Node.js 中使用 sm-crypto

我们将使用 sm-crypto 库来演示如何在 Node.js 环境中实现国密算法。

3.1 环境准备

1
npm install sm-crypto --save

3.2 SM2 非对称加密实战

SM2 加密时需要注意加密模式。sm-crypto 支持 C1C3C2 (默认) 和 C1C2C3 两种模式。前端与后端交互时，务必确认使用的模式一致。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
const sm2 = require('sm-crypto').sm2

// 1. 生成密钥对
let keypair = sm2.generateKeyPairHex()
let publicKey = keypair.publicKey // 公钥 (130位 hex)
let privateKey = keypair.privateKey // 私钥 (64位 hex)

console.log('公钥:', publicKey)
console.log('私钥:', privateKey)

// 2. 加密
const msgString = 'Hello, 国密!'
const cipherMode = 1 // 1 - C1C3C2 (推荐), 0 - C1C2C3
let encryptData = sm2.doEncrypt(msgString, publicKey, cipherMode)
console.log('密文:', encryptData)

// 3. 解密
let decryptData = sm2.doDecrypt(encryptData, privateKey, cipherMode)
console.log('解密结果:', decryptData)

// 4. 签名与验签
// 签名 (默认纯签名，不带 userId)
let sigValue = sm2.doSignature(msgString, privateKey)
console.log('签名:', sigValue)

// 验签
let verifyResult = sm2.doVerifySignature(msgString, sigValue, publicKey)
console.log('验签结果:', verifyResult)

3.3 SM3 摘要计算实战

SM3 常用于计算数据的指纹。

1
2
3
4
5
6
const sm3 = require('sm-crypto').sm3

const msg = 'abc'
let hashData = sm3(msg) 
console.log('SM3 Hash:', hashData) 
// 输出: 66c7f0f462eeedd9d1f2d46bdc10e4e24167c4875cf2f7a2297da02b8f4ba8e0

3.4 SM4 对称加密实战

SM4 适合对大量数据进行加密。注意密钥必须是 128 位（16 字节，即 32 位 hex 字符串）。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
const sm4 = require('sm-crypto').sm4

const msg = '敏感数据内容'
const key = '0123456789abcdeffedcba9876543210' // 128位密钥

// 加密
let encryptData = sm4.encrypt(msg, key)
console.log('SM4 密文:', encryptData)

// 解密
let decryptData = sm4.decrypt(encryptData, key)
console.log('SM4 解密:', decryptData)

4. 常见问题与坑

  1. 密钥格式：SM2 公钥通常是 04 开头的 130 位 Hex 字符串（未压缩），私钥是 64 位 Hex。如果遇到 PEM 格式，需要进行转换。
  2. 加密模式：SM2 的密文排序有 C1C2C3 和 C1C3C2 两种标准。旧标准多用 C1C2C3，新标准（及 OpenSSL 1.1.1+）多用 C1C3C2。对接时一定要确认。
  3. 性能：在纯 JS 环境下，SM2 的性能可能不如原生 C++ 实现的模块。对于高并发场景，建议使用基于 OpenSSL 或 C++ 扩展的库（如 gm-crypto）。

5. 总结

掌握国密算法是国内开发者的必备技能。通过 sm-crypto，我们可以轻松地在 Node.js 和浏览器端实现 SM2/SM3/SM4。在实际项目中，建议结合 HTTPS 使用，构建多层纵深防御体系。