python中怎么使用sm4算法

# Python中怎么使用SM4算法

## 1. 什么是SM4算法

SM4算法是中國國家密碼管理局于2012年發布的國家標準（GB/T 32907-2016），是一種分組對稱加密算法。它采用128位分組長度和128位密鑰長度，與AES算法類似但設計上有所不同。

### 1.1 SM4算法特點
- **國產密碼標準**：中國自主研發的商業密碼算法
- **安全性高**：經過嚴格密碼分析，抗差分和線性攻擊能力強
- **高效實現**：適合軟硬件實現，加解密速度與AES相當
- **應用廣泛**：在金融、政務等領域有強制使用要求

## 2. Python實現SM4的環境準備

### 2.1 安裝密碼學庫

Python中可通過以下庫實現SM4：

```bash
# 安裝gmssl庫（推薦）
pip install gmssl

# 或者安裝pycryptodome（需自行實現SM4）
pip install pycryptodome

2.2 驗證安裝

from gmssl import sm4
print("SM4模塊加載成功")

3. 使用gmssl實現SM4加密

3.1 基礎加密示例

from gmssl import sm4

def sm4_encrypt(key, plaintext):
    """
    SM4加密函數
    :param key: 16字節密鑰
    :param plaintext: 明文數據
    :return: 密文字節串
    """
    crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
    crypt_sm4.set_key(key, sm4.SM4_ENCRYPT)
    encrypt_value = crypt_sm4.crypt_ecb(plaintext)
    return encrypt_value

key = b'1234567890abcdef'  # 16字節密鑰
data = b'Hello SM4 World!'
ciphertext = sm4_encrypt(key, data)
print("加密結果:", ciphertext.hex())

3.2 完整加解密實現

from gmssl import sm4
import binascii

class SM4Crypto:
    def __init__(self, key):
        if len(key) != 16:
            raise ValueError("SM4密鑰必須為16字節")
        self.key = key
        self.block_size = 16
        
    def encrypt(self, plaintext):
        """ECB模式加密"""
        crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
        crypt_sm4.set_key(self.key, sm4.SM4_ENCRYPT)
        
        # 填充處理
        padded_data = self._pad(plaintext)
        ciphertext = crypt_sm4.crypt_ecb(padded_data)
        return ciphertext
    
    def decrypt(self, ciphertext):
        """ECB模式解密"""
        crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
        crypt_sm4.set_key(self.key, sm4.SM4_DECRYPT)
        
        plaintext = crypt_sm4.crypt_ecb(ciphertext)
        return self._unpad(plaintext)
    
    def _pad(self, data):
        """PKCS#7填充"""
        pad_len = self.block_size - (len(data) % self.block_size)
        return data + bytes([pad_len] * pad_len)
    
    def _unpad(self, data):
        """PKCS#7去填充"""
        pad_len = data[-1]
        return data[:-pad_len]

# 使用示例
key = b'1' * 16  # 16字節密鑰
sm4 = SM4Crypto(key)

original = b"Sensitive data需要加密"
print("原文:", original)

encrypted = sm4.encrypt(original)
print("密文:", binascii.hexlify(encrypted))

decrypted = sm4.decrypt(encrypted)
print("解密:", decrypted.decode())

4. 支持不同加密模式

SM4支持多種加密模式，以下是常見模式的實現：

4.1 CBC模式實現

from gmssl import sm4
import os

def sm4_cbc_encrypt(key, iv, plaintext):
    crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
    crypt_sm4.set_key(key, sm4.SM4_ENCRYPT)
    return crypt_sm4.crypt_cbc(iv, plaintext)

def sm4_cbc_decrypt(key, iv, ciphertext):
    crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
    crypt_sm4.set_key(key, sm4.SM4_DECRYPT)
    return crypt_sm4.crypt_cbc(iv, ciphertext)

# 使用示例
key = os.urandom(16)  # 隨機生成密鑰
iv = os.urandom(16)   # 初始化向量
data = b"Data to encrypt with CBC mode"

encrypted = sm4_cbc_encrypt(key, iv, data)
decrypted = sm4_cbc_decrypt(key, iv, encrypted)

print("CBC模式解密結果:", decrypted)

4.2 文件加密示例

def encrypt_file(key, in_file, out_file):
    """加密文件"""
    iv = os.urandom(16)
    crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
    crypt_sm4.set_key(key, sm4.SM4_ENCRYPT)
    
    with open(in_file, 'rb') as fin, open(out_file, 'wb') as fout:
        fout.write(iv)  # 寫入IV
        
        while True:
            chunk = fin.read(1024)
            if not chunk:
                break
            if len(chunk) % 16 != 0:
                chunk += b' ' * (16 - len(chunk) % 16)
            encrypted = crypt_sm4.crypt_cbc(iv, chunk)
            fout.write(encrypted)

def decrypt_file(key, in_file, out_file):
    """解密文件"""
    crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
    crypt_sm4.set_key(key, sm4.SM4_DECRYPT)
    
    with open(in_file, 'rb') as fin, open(out_file, 'wb') as fout:
        iv = fin.read(16)
        
        while True:
            chunk = fin.read(1024)
            if not chunk:
                break
            decrypted = crypt_sm4.crypt_cbc(iv, chunk)
            fout.write(decrypted)

# 使用示例
key = b'my-secret-key-16b'
encrypt_file(key, 'plain.txt', 'encrypted.bin')
decrypt_file(key, 'encrypted.bin', 'decrypted.txt')

5. 性能優化與注意事項

5.1 性能優化技巧

1. 批量處理數據：避免單次加密小數據塊
2. 重用SM4對象：避免重復初始化
3. 使用CBC/CTR等模式：比ECB模式更安全

# 優化示例：重用SM4對象
crypt_sm4 = sm4.CryptSM4()
crypt_sm4.set_key(key, sm4.SM4_ENCRYPT)

for data in large_data_chunks:
    encrypted = crypt_sm4.crypt_ecb(data)
    # 處理加密數據

5.2 安全注意事項

1. 密鑰管理：不要硬編碼密鑰，使用密鑰管理系統
2. IV使用：CBC模式必須使用隨機IV
3. 填充方案：推薦PKCS#7填充
4. 認證加密：考慮使用GCM模式提供完整性校驗

6. 與其他系統的交互

6.1 與OpenSSL的交互

# OpenSSL命令行加密（需支持SM4）
openssl enc -sm4-cbc -in plain.txt -out encrypted.bin -K 密鑰16進制 -iv IV16進制

6.2 Java互通示例

確保Java端使用BouncyCastle提供的SM4實現：

// Java端SM4示例代碼
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/CBC/PKCS7Padding", "BC");

7. 總結

SM4作為國密標準算法，在Python中的實現已經非常成熟。通過gmssl等庫可以方便地實現各種加密需求。實際使用時需要注意：

1. 選擇合適的加密模式（推薦CBC或GCM）
2. 妥善管理密鑰和IV
3. 處理數據填充問題
4. 考慮性能優化方案

隨著國密算法的推廣，掌握SM4的使用將成為開發者的必備技能之一。

附錄：相關資源

1. GMSSL官方文檔
2. SM4算法標準文本
3. 密碼學最佳實踐指南

”`

這篇技術文章共計約2100字，全面介紹了Python中使用SM4算法的各種場景和注意事項，包含代碼示例、不同加密模式實現以及安全建議等內容。