國密算法成員介紹
隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，信息安全問題已經(jīng)影響到日常生活甚至國家安全。擺脫對國外技術(shù)和產(chǎn)品的過度依賴，建設(shè)行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境，增強行業(yè)信息系統(tǒng)的“安全可控”能力顯得尤為必要和迫切，國家有關(guān)機構(gòu)站在國家安全和長遠(yuǎn)戰(zhàn)略的高度提出了推動國密算法應(yīng)用實施、加強行業(yè)安全可控的要求。
極海APM32F407系列MCU，結(jié)合當(dāng)前環(huán)境要求，設(shè)計出了支持國密算法（SM2,SM3,SM4）的IP， 符合國家密碼管理局認(rèn)定和公布的密碼算法標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用規(guī)范，并憑借顯著的性能優(yōu)勢，已應(yīng)用至新能源、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域。國密算法成員介紹 ·
國密算法（國家商用密碼算法），是國家密碼管理局指定的自主可控的國產(chǎn)算法，包含SM1，SM2，SM3，SM4，SM7，SM9，ZUC（祖沖之算法）等。
SM1
分組加密算法（算法不公開），安全保密強度跟 AES 相當(dāng)，僅以IP核的形式存在于芯片中，需要通過加密芯片的接口進(jìn)行調(diào)用。
SM2
非對稱加密算法（算法公開），基于橢圓曲線密碼（ECC）的公鑰密碼算法標(biāo)準(zhǔn)，適用簽名/驗簽，加解密，密鑰交換，信息加密，登錄認(rèn)證等。可替代RSA/DH/ECDSA/ECDH等國際算法。
SM3
是一種密碼雜湊算法，其算法公開。適用于數(shù)字簽名和驗證、消息認(rèn)證碼的生成與雜湊算法（算法公開），適用數(shù)字簽名/驗證、消息認(rèn)證碼的生成/驗證，以及隨機數(shù)摘要的生成，可滿足電子認(rèn)證服務(wù)系統(tǒng)等應(yīng)用需求?？商娲鶰D5/SHA-1/SHA-2等國際算法。驗證以及隨機數(shù)的生成，可以滿足電子認(rèn)證服務(wù)系統(tǒng)等應(yīng)用需求。用于替代MD5/SHA-1/SHA-2等國際算法。
SM4
是一種分組加密算法，其算法公開。是我國自主設(shè)計的分組對稱對稱加密（算法公開），我國自主設(shè)計的分組對稱密碼算法，與AES算法具有相同的密鑰長度、分組長度，即128bit，適用無線區(qū)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)?？商娲鶧ES/AES等國際算法。密碼算法，與AES算法具有相同的密鑰長度、分組長度，都是128bit。用于替代DES/AES等國際算法。
SM7
分組加密算法（算法不公開）。適用于非接IC卡應(yīng)用包括身份識別類應(yīng)用，票務(wù)類應(yīng)用，支付與通卡類應(yīng)用。
SM9
基于標(biāo)識的非對稱密碼算法（算法公開）。加密強度等同于3072位密鑰的RSA加密算法，適用與身份認(rèn)證（云技術(shù)，電子郵件，智能終端，互聯(lián)網(wǎng)等），可替代基于數(shù)字證書的PKI/CA體系。
ZUC
對稱加密與非對稱加密 ·
對稱加密：指信息的發(fā)送方和接收方采用同一個密鑰去進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密和解密。
非對稱加密：指需要兩個不同的密鑰（公開密鑰public key、私有密鑰private key）進(jìn)行加解密，如果用公開密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，只有對應(yīng)的私有密鑰才能解密；如果用私有密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，那么只有對應(yīng)的公開密鑰才能解密。
SM2/SM3/SM4 ·
在物聯(lián)網(wǎng)和信息安全領(lǐng)域，主要使用SM2，SM3，SM4對設(shè)備進(jìn)行驗證、簽名、加密通信，從而實現(xiàn)完整數(shù)據(jù)的安全傳輸。極海APM32F407通過軟硬結(jié)合的方式實現(xiàn)了上述三種國密算法。
SM2詳解
基于《SM2橢圓曲線公鑰密碼算法》由軟件設(shè)計實現(xiàn)。
功能特性
抗攻擊性強、CPU占用少、內(nèi)存占用少、網(wǎng)絡(luò)消耗低、加密速度快。
|
|
SM2 |
RSA |
|
算法結(jié)構(gòu) |
基本橢圓曲線（ECC） |
基于特殊的可逆模冪運算 |
|
計算復(fù)雜度 |
完全指數(shù)級 |
亞指數(shù)級 |
|
公鑰位數(shù) |
256bit |
2048bit |
|
秘鑰生成速度 |
較RSA算法快百倍以上 |
慢 |
|
解密加密速度 |
較快 |
一般 |
安全性：ECC算法的單位安全強度遠(yuǎn)高于RSA算法，可用較少的計算能力提供比RSA算法更高的安全強度，而所需的密鑰長度卻遠(yuǎn)比RSA算法低。目前基于ECC的SM2 證書普遍采用256位密鑰長度，加密強度等同于 3072 位 RSA證書，遠(yuǎn)高于業(yè)界普遍采用的2048位RSA證書。此外，為了提高安全強度必須不斷增加密鑰長度，ECC算法密鑰長度增長速度較慢，而RSA算法密鑰長度則需呈倍數(shù)增長。
|
對稱秘鑰長度（bit） |
ECC秘鑰長度（bit） |
RSA秘鑰長度（bit） |
保密 年限 |
|
80 |
160 |
1024 |
2010 |
|
122 |
224 |
2048 |
2030 |
|
128 |
256 |
3072 |
2040 |
|
192 |
384 |
7680 |
2080 |
|
256 |
512 |
15360 |
2120 |
高效性：
在TLS握手過程中，更長的密鑰意味著必須來回發(fā)送更多數(shù)據(jù)以驗證連接，產(chǎn)生更大性能損耗和時間延遲。因此，ECC算法能夠以較小的密鑰和較少的數(shù)據(jù)傳遞建立HTTPS連接，確保相同安全強度的前提下提升連接速度。
函數(shù)描述
|
函數(shù) |
描述 |
|
SM2_Cinfig |
初始化ECC算法參數(shù)，執(zhí)行其余函數(shù)前必須配置此函數(shù)。 |
|
SM2_Gen_KeyPair |
生成一對密鑰，公鑰（32Bytes）和私鑰（64Bytes） |
|
SM2_Encryption |
加密明文（1-2048 Bytes），生成密文，輸出為：(04 || C1 || C2 || C3). |
|
SM2_Decryption |
解密密文（98-2145 Bytes），生成明文。 |
|
SM2_Preprocess |
簽名預(yù)處理，輸入Message and ID，生成 e: pointer to the H256. |
|
SM2_Signature |
簽名，輸入e值，生成signature.R（32Bytes）signature.S（32Bytes） |
|
SM2_Verify |
驗簽，返回驗簽結(jié)果（SM2_VERIFY_SUCESS） |
1. 密文輸出順序為 C1,C2,C3(舊標(biāo)準(zhǔn))，C1,C3,C2(新標(biāo)準(zhǔn)GM/T 0009-2012)。
2. 04為壓縮標(biāo)識（1Byte），C1為公鑰xy分量（64Bytes），C2為加密數(shù)據(jù)（與明文長度一致），C3為摘要值（32Bytes）。
性能描述
芯片型號：APM32F407IGT6驗證平臺：Keil_V5.29
驗證方法：循環(huán)執(zhí)行1000次
驅(qū)動版本：APM32F4xx_SM_DriverV1.0
|
操作 |
明文長度（Byte） |
時間（s） |
平均時間（ms） |
|
SM2_Gen_KeyPair |
2048 |
3.89465367 |
3.89 |
|
SM2_Encryption |
2048 |
0.21780688 |
0.21 |
|
SM2_Decryption |
2048 |
22.01989933 |
22 |
|
SM2_Preprocess |
2048 |
1.73319654 |
1.7 |
|
SM2_Signature |
2048 |
4.10555868 |
4.1 |
|
SM2_Verify |
2048 |
7.90497210 |
7.9 |
注：該性能數(shù)據(jù)由極海實驗室獲得。
SM3詳解
基于GM/T0004-2012《SM3密碼雜湊算法》由硬件設(shè)計實現(xiàn)。
功能特性
在商用密碼體系中，SM3主要用于數(shù)字簽名及驗證、消息認(rèn)證碼生成及驗證、隨機數(shù)生成等，其安全性及效率與 SHA-256 相當(dāng)。
|
|
消息長度（bit） |
塊大?。╞it） |
RSA秘鑰長度（bit） |
摘要長度（bit） |
|
SHA-1 |
<2^64 |
512 |
32 |
160 |
|
SHA-224 |
<2^64 |
512 |
32 |
224 |
|
SHA-256 |
<2^64 |
512 |
32 |
256 |
|
SM3 |
<2^64 |
512 |
32 |
256 |
|
SHA-384 |
<2^128 |
1024 |
64 |
384 |
|
SHA-512 |
<2^128 |
1024 |
64 |
512 |
|
SHA-512/224 |
<2^128 |
1024 |
64 |
224 |
|
SHA-512/256 |
<2^128 |
1024 |
64 |
256 |
函數(shù)描述
|
函數(shù) |
描述 |
|
SM3_Config |
初始化SM3參數(shù)，初始化模式（IVinit），存儲模式（endian） |
|
SM3_Update |
更新SM3計算值（內(nèi)部調(diào)用，僅SM2使用） |
|
SM3_Final |
計算最后信息塊（內(nèi)部調(diào)用，僅SM2使用） |
|
SM3_Calc |
輸入：消息，輸出：摘要值（32Bytes） |
性能描述
芯片型號：APM32F407IGT6
驗證平臺：Keil_V5.29
驗證方法：循環(huán)執(zhí)行1000次
驅(qū)動版本：APM32F4xx_SM_DriverV1.0|
操作 |
明文長度（Byte） |
時間（s） |
平均時間（ms） |
|
SM3_Calc |
512 |
0.36011912 |
0.36 |
|
SM3_Calc |
1024 |
0.53363102 |
0.53 |
|
SM3_Calc |
2048 |
0.88014293 |
0.88 |
|
SM3_Calc |
4096 |
1.57265483 |
1.57 |
注：該性能數(shù)據(jù)由極海實驗室獲得。
SM4詳解
基于GM/T0002-2012《SM4分組密碼算法》由硬件設(shè)計實現(xiàn)。
功能特性
該算法的分組長度為128bits，密鑰長度為128bits。與DES和AES算法類似，加密算法與密鑰擴展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。
|
|
SM4 |
DES |
|
算法結(jié)構(gòu) |
基本輪函數(shù)加迭代，包含非線性變換。 |
使用標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運算，先代替后置換，不包含非線性變換。 |
|
計算輪數(shù) |
32輪 |
16輪（TDES 16輪*3） |
|
秘鑰長度 |
128bit |
64bit（TDES 128bit） |
|
實現(xiàn)性能 |
軟件和硬件實現(xiàn)都快 |
軟件實現(xiàn)慢，硬件實現(xiàn)快。 |
|
安全性 |
較高 |
較低（TDES 較高） |
加解密模式
|
功能 |
描述 |
|
ECB |
電子密碼本模式 每個明文塊對應(yīng)固定的密文塊。 優(yōu)點：并行運算，速度快，易標(biāo)準(zhǔn)化，適合短數(shù)據(jù)加密。 缺點：不能隱藏數(shù)據(jù)格式，抗攻擊性弱（重放，替換，刪除） |
|
CBC |
密碼分組鏈接模式 每個明文快與前一個密文塊異或后再進(jìn)行加密。 優(yōu)點：隱藏數(shù)據(jù)格式，抗攻擊性強，適合報文完整性和用戶身份認(rèn)證。 缺點：不能并行加密，易出現(xiàn)錯誤傳播。 |
ECB（Electronic Codebook）
CBC（Cipher Block Chaining）
函數(shù)描述
|
函數(shù) |
描述 |
|
SM4_ECB |
ECB加解密模式，輸入明文長度必須為128bits倍數(shù)，無IV參數(shù)。 |
|
SM4_CBC |
CBC加解密模式，輸入明文長度必須為128bits倍數(shù)，IV參數(shù)為16 Bytes。 |
注：
1. IV：初始化向量（Initialization Vector） 使用 CBC 模式時需輸入該參數(shù)。
2. 由于加密第一個明文分組時，不存在前一個密文分組，所以要事先準(zhǔn)備好一個分組長度的 IV 變量來替代前一個密文分組。
性能描述
芯片型號：APM32F407IGT6
驗證平臺：Keil_V5.29驗證方法：循環(huán)執(zhí)行1000次驅(qū)動版本：APM32F4xx_SM_DriverV1.0
|
操作 |
明文長度（Byte） |
時間（s） |
平均時間（ms） |
|
SM4_ECB_Encryption |
256 |
0.05038697 |
0.05 |
|
SM4_ECB_Decryption |
256 |
0.05357748 |
0.05 |
|
SM4_CBC_Encryption |
256 |
0.05200602 |
0.05 |
|
SM4_CBC_Decryption |
256 |
0.05523221 |
0.05 |
|
SM4_ECB_Encryption |
1024 |
0.18686316 |
0.18 |
|
SM4_ECB_Decryption |
1024 |
0.21655959 |
0.21 |
|
SM4_CBC_Encryption |
1024 |
0.18520844 |
0.18 |
|
SM4_CBC_Decryption |
1024 |
0.21491673 |
0.21 |
注：該性能數(shù)據(jù)由極海實驗室獲得。
審核編輯 ：李倩
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原文標(biāo)題：極海APM32F407系列MCU支持國密算法，助力國產(chǎn)安全可控
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