数据安全系列6：从SM4国密算法谈到Bouncy Castle

传送门

在开始写下这篇文字的时候，为了补充传送门的地址快速看了一下上节的内容。心中隐约发现：

里面有一个字打错了（严格意义上是写错了，因为是五笔输入法），天塌下来的塌写成了**"踏"**
里面的附录JCA与JCE关系章节（取自百度百科），内容已经完全没印象了

于是在想如果是AI的话，首先错别字的低级错误肯定不会犯；其次就算是技术类知识对它来说，也不会存在忘记的可能。所以现在AI导致博客内容创作的价值降低了，并且我内心产生了一些是否继续维护博客的犹豫。因为实在是真切感受到了AI它的强大，无论是代码还是文章创作在某些方面表现出来的效率几乎比人要高：无论是语言还是框架、从技术选型到方案输出，也都颇为可靠。只要打开对话框，将自己的问题告诉它就行了，比起以前到搜索引擎里面自己筛选内容也方便了许多。

如果到了某一天，几乎所有的内容都是AI创作，那大家会不会反而追求、怀念那些由人创作的**"原创"**内容呢？或者这可以做为继续坚持下去的动力。

使用AI，了解AI，拥抱AI，将它做为一个好用的工具！所以下面的有些内容、尤其是归纳总结性的会出于AI生成！

回顾JCA与JCE关系

由于上面谈到JCA与JCE关系模糊，这里再次回顾一下两者的定义及关系。

JCA

本质：一套服务提供者接口(SPI)和应用程序接口(API)的集合
核心包：java.security、java.security.cert、java.security.interfaces
设计目标：

提供统一的加密服务访问方式
支持算法独立性（应用程序不依赖特定算法）
支持Provider机制（可插拔的加密实现）
遵循"一次编写，到处运行"的Java原则

JCA是Java平台的加密体系基础架构 ，它是一个框架性设计 而非具体实现。比如Provider机制里面，默认的Provider就是JDK自带的**"SUN"** ；而上一节里面的SM4就是通过Bouncy Castle包来扩展的，它的Provider名字是**"BC"。**

查看系统中安装的所有的JCE提供者

可以通过一个例子来查看本地java系统中安装的所有的JCE提供者：

java 复制代码

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;

import java.security.Provider;
import java.security.Security;

/**
 * @author 
 * @date 2025/9/20
 */
public class SecurityUtil {

    public static void main(String[] args) {
        // 查看本地java系统中安装的所有的JCE提供者，和一些相应算法
        System.out.println("-------列出默认的加密服务提供者-----");
        Provider[] providers = Security.getProviders();

        printProvider(providers);

        System.out.println("-------列出扩展以后的加密服务提供者-----");
        // 再添加一个Provider为Bouncy Castle库
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
        printProvider(Security.getProviders());

        System.out.println("-------列出系统支持的消息摘要算法：");
        Security.getAlgorithms("MessageDigest").forEach(System.out::println);

        System.out.println("-------列出系统支持的生成公钥和私钥对的算法：");
        Security.getAlgorithms("KeyPairGenerator").forEach(System.out::println);
    }

    private static void printProvider(Provider[] providers) {
        System.out.println("======================begin print===============================");
        for (Provider p : providers) {
            System.out.println("Provider:" + p.getName() + " - version:" + p.getVersion() + ", info" + p.getInfo());
        }
        System.out.println("======================end print===============================");
    }
}

JCE

JCE 核心类与概念

JCE是JCA的官方扩展 ，专注于提供对称加密、非对称加密和密钥协商功能。

本质：JCA框架的扩展规范
核心包 ：javax.crypto、javax.crypto.interfaces、javax.crypto.spec
关键类 ：Cipher、KeyGenerator、SecretKeyFactory、Mac

**jce.jar是JCE规范的具体实现文件。**JCE 架构的核心包括以下几个关键类和接口：

|------------------|-------------------------------------|
| 类/接口 | 作用描述 |
| KeyGenerator | 用于生成对称密钥。 |
| KeyPairGenerator | 用于生成非对称密钥对（公钥和私钥）。 |
| Cipher | 提供加密和解密功能的核心类，支持对称加密、非对称加密、流加密等。 |
| MessageDigest | 用于计算数据的消息摘要（哈希值），例如 SHA-256、MD5。 |
| Mac | 用于生成消息认证码（MAC），例如 HmacSHA256。 |
| Signature | 用于生成和验证数字签名。 |
| Security | 用于管理已安装的安全提供者（如动态添加 Bouncy Castle）。 |

JCE与BouncyCastle的关系

前面在介绍各种对称加密算法DES、AES、3DES、SM4的代码时，对SM4实现其实通过引用了第三方包BouncyCastle来处理的。所以这里也会探讨二者之间的关系，详见后面。

JCA 与 JCE 的关系

现在我们可以清晰地描述它们的关系了：

整体与部分的关系：

JCA是一个大的框架，定义了Java安全服务的总体架构和核心基础功能（如摘要、签名）。

JCE是构建在JCA框架之上的一个特定服务集 ，它利用JCA的"提供者"架构，专门为加密这个细分领域提供服务。

架构与实现的关系：

JCA提供了"插座"和"接口"的标准（即SPI - Service Provider Interface）。

JCE（以及其他的服务如JSSE）是插在这个"插座"上的"电器"，它们遵循JCA的标准接口，提供了具体的加密功能实现。

历史演进关系：

早期由于出口限制，加密功能（JCE）与核心安全功能（JCA）是分离的。

现在，JCE已经完全融入JCA体系，成为Java标准版中不可分割的一部分。当你谈论现代的Java密码学时，JCA通常指的是包括JCE功能在内的整个体系。

一个简单的类比：

JCA 就像是一家汽车的 底盘平台和电气架构。

它定义了发动机、变速箱、方向盘应该如何连接和通信。

JCE 就像是这个平台上安装的 一台高性能发动机和变速箱。

它是底盘架构的一个具体、强大的实现，专门负责提供动力（加密/解密）。

其他组件，如JSSE (Java Secure Socket Extension，用于SSL/TLS)，就像是平台上的 车轮和悬挂系统，负责另一类功能（安全通信）。

总结对比表

特性 JCA (Java Cryptography Architecture) JCE (Java Cryptography Extension)

定位 框架和架构 架构内的功能扩展/实现

核心功能 消息摘要、数字签名、密钥对生成、随机数、证书 加密/解密、密钥协商、消息认证码(MAC)

设计模式 提供者(Provider)架构 遵循并扩展JCA的提供者架构

主要包 java.security.* javax.crypto.*

关键类 MessageDigest, Signature, KeyPairGenerator Cipher, KeyGenerator, SecretKey

关系基础，是整体扩展，是部分

因此，在现代Java开发中，当你需要进行加密操作（如AES加密数据）时，你是在使用JCE的API （如 Cipher），而整个调用过程是基于JCA的提供者架构来完成的。它们共同构成了Java强大且灵活的安全密码学基础。

-----------------------------------------------------------------------------以上总结引用内容来自DeepSeek

特性	JCA (Java Cryptography Architecture)	JCE (Java Cryptography Extension)
定位	框架和架构	架构内的功能扩展/实现
核心功能	消息摘要、数字签名、密钥对生成、随机数、证书	加密/解密、密钥协商、消息认证码(MAC)
设计模式	提供者(Provider)架构	遵循并扩展JCA的提供者架构
主要包	`java.security.*`	`javax.crypto.*`
关键类	`MessageDigest`, `Signature`, `KeyPairGenerator`	`Cipher`, `KeyGenerator`, `SecretKey`
关系	基础，是整体	扩展，是部分

从SM4谈起

在前面介绍常用的对称算法时，提到过DES、3DES、AES及SM4，并通过表格列出了各自的场景及特点：

算法	密钥长度	块大小	状态	特点
DES	56位	64位	已淘汰	早期标准，易被暴力破解
3DES	112/168位	64位	逐渐淘汰	DES的三重应用，安全性提高但效率低
AES	128/192/256位	128位	推荐使用	目前最广泛使用的标准，安全高效
SM4	128位	128位	推荐使用	适用于需要国密合规的场景，如金融、政务等
Blowfish	32-448位	64位	可用	速度快，但块大小较小
RC4	40-2048位	流密码	不推荐	曾广泛使用，现发现多处漏洞

其中现在主流的是AES与SM4，而SM4又被称为"国密算法"。

国密算法

国密算法是由国家密码管理局认定的自主可控密码算法体系，包含SM系列及祖冲之算法等核心技术。该体系涵盖对称加密（SM1、SM4、SM7）、非对称加密（SM2、SM9）、哈希算法（SM3）与流密码（ZUC）等类型，形成完整的密码技术生态 [1-3]。

算法采用国产标准曲线和迭代结构设计，具备抗量子攻击特性与高效运算能力，可替代国际通用算法。在电子政务、无线通信、区块链等领域实现规模化应用，并通过《密码法》等法规推动重点行业密码改造。

国密算法体系由7类核心算法构成：

对称算法：包含SM1（128位分组密码）、SM4（32轮迭代结构）、SM7（非接IC卡专用），采用分组加密技术实现数据保护

非对称算法：SM2（椭圆曲线公钥算法）涵盖签名/加密/密钥交换功能，SM9（标识密码算法）以用户身份标识作为公钥

哈希算法：SM3生成256位摘要值，应用于数字签名验证与随机数生成

流密码：ZUC算法提供4G通信加密与完整性保护

关于国密的概念介绍，推荐看看这个文章一文读懂什么是国密算法，图文并茂讲的比较不错。

国密算法标准

国密算法的标准，首先肯定是通过中国国家密码管理局来制定，里面会有各种政策性的文件。并作为主管单位，负责批准和发布密码行业标准。

密码行业标准化技术委员会

受国家密码管理局委托，提出标准规划、组织标准的编写、审查、复审等工作。

这些行业标准可以在行业标准信息服务平台查询，比如我们讨论的各种国密算法：

ISO国际标准

在密码信息技术发展历程中，必须承认的是国外的领先地位。一个算法的重要的衡量指标就是是否成为国际标准！国密标准（中国商用密码算法标准）与ISO/IEC国际标准之间，是一个从自主研制 到积极融入 ，再到双向贡献的动态发展关系。这不仅显著提升了我国在密码领域的国际话语权，也为全球密码技术体系提供了重要的"中国方案"：

下面这个表格梳理了主要国密算法成为国际标准的关键时间点。

算法名称	算法类型	成为ISO/IEC国际标准的关键时间点
ZUC（祖冲之）算法	序列密码	2011年纳入国际电信联盟（ITU）的4G标准1，2010年其算法本身也成为ISO/IEC国际标准
SM2算法	非对称密码（椭圆曲线公钥密码）	2017年正式成为ISO/IEC国际标准
SM9算法	非对称密码（标识密码）	2017年正式成为ISO/IEC国际标准
SM3算法	密码杂凑算法（哈希函数）	2018年正式成为ISO/IEC国际标准
SM4算法	对称密码（分组密码）	2021年正式成为ISO/IEC国际标准

要说明的是：因为SM1算法未公开，所以不在此列。

对JCA框架的实现和JCE的补充

那再回过头来看在Java领域里面，既然有了JAC框架与JCE标准内置实现，为什么还要有BouncyCastle这个库来实现SM4算法呢？让我们回顾一下SM4的CBC模式算法：

java 复制代码

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.Security;
 
public class SM4Example {
    static {
        // 注册Bouncy Castle提供者
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }
 
    // SM4加密
    public static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception {
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, "SM4");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }
 
    // SM4解密
    public static byte[] decrypt(byte[] cipherText, byte[] key) throws Exception {
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, "SM4");
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("SM4/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
        return cipher.doFinal(cipherText);
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String plainText = "Hello, SM4!";
        byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes(); // 16字节密钥
 
        // 加密
        byte[] encrypted = encrypt(plainText.getBytes(), key);
        System.out.println("加密结果（Base64）: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
 
        // 解密
        byte[] decrypted = decrypt(encrypted, key);
        System.out.println("解密结果: " + new String(decrypted));
    }
}

观察一下代码

首先创建一个SecretKey，指定为**"SM4"**算法
获取Cipher实例，指定算法格式（算法/工作模式/填充模式）：SM4/ECB/PKCS5Padding
然后初始化，通过不同的模式模型区分：ENCRYPT_MODE、DECRYPT_MODE
最后执行加解密

上面所有的类及方法，其实都是JCE包里面的，这个代码流程跟AES也没有什么两样。来看一个JCE生成的AES的ECB模式算法：

java 复制代码

public class SunAESExample {
    public static final String MODE_ECB_NOPADDING = "AES/ECB/PKCS5Padding";

/**
     * 使用 ECB 模式加密数据
     *
     * @param plaintext 明文数据
     * @param key       AES 密钥
     * @return 加密结果
     */
    public static byte[] encryptECB(byte[] plaintext, byte[] key) throws Exception {
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, AES);
        // 初始化加密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(MODE_ECB_NOPADDING);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

        // 执行加密
        return cipher.doFinal(plaintext);
    }

    /**
     * 使用 ECB 模式解密数据
     *
     * @param ciphertext 密文数据
     * @param key        AES 密钥
     * @return 解密后的原始数据
     */
    public static byte[] decryptECB(byte[] ciphertext, byte[] key) throws Exception {
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, AES);
        // 初始化解密器
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(MODE_ECB_NOPADDING);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);

        // 执行解密
        return cipher.doFinal(ciphertext);
    }


public static void main(String[] args) {
            System.out.println("================================ECB模式===============================");
            String plainText2 = "Hello, SM4!";
            byte[] key = "1234567890abcdef".getBytes(); // 16字节密钥
            byte[] encrypted  = SunAESUtil.encryptECB(plainText2.getBytes("UTF-8"), key);
            System.out.println("加密结果（Base64）: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted));
            byte[] decrypted = SunAESUtil.decryptECB(encrypted, key);
            System.out.println("解密结果: " + new String(decrypted));


        } catch (Exception e) {
            System.err.println("错误: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

除了上面的静态代码块注册的BouncyCastleProvider：

java 复制代码

static {
        // 注册Bouncy Castle提供者
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

而里面的BouncyCastleProvider来自下面的maven引入的包：

XML 复制代码

<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version> <!-- 使用最新版本 -->
</dependency>

这一切的原因是JCE并不默认支持SM4，所以才需要BouncyCastle这种第三方库，所以说BouncyCastle是对JCE的补充和对JCA的扩展(BouncyCastleProvider是通过Security注册的，Security来自security包，这样就利用SPI机制实现了扩展的算法！)：

Java 开发平台自带了一个名为 JCA（Java Cryptography Architecture） 和 JCE（Java Cryptography Extension） 的安全框架。但是，标准 JDK 自带的加密算法提供商（通常是 Sun/Oracle 提供的）存在一些限制：

算法不全：早期版本的 JDK 缺少很多重要的、现代的加密算法（如 AES、ECC 在较老的 JDK 中可能不支持）。

出口限制：由于历史上美国的加密软件出口管制法律，JDK 提供的加密强度是受限的（例如，密钥长度被限制）。虽然这些限制后来大部分都放开了，但在一些旧版本和特定环境下仍然是个问题。

功能有限：对于更高级的密码学标准和格式（如 OpenPGP、S/MIME、较新版本的 ASN.1 处理等），标准 JDK 的支持非常有限或根本没有。

Bouncy Castle 的出现就是为了填补这些空白，它提供了：

一个完整的、无强度限制的 JCE 提供商。

大量 JDK 未内置的加密算法。

对多种密码学标准和数据格式的读写和生成支持。

密码学领域的瑞士军刀

由于国密算法不仅仅是SM4，而是一整套的密码算法解决方案。BouncyCastle对相关算法都能很好的支持，可以称之为Java生态系统中密码学领域的事实标准 和瑞士军刀，是开发安全应用程序时不可或缺的强大工具。

什么是BouncyCastle

Bouncy Castle 是一个开源的、轻量级的、基于 Java 和 C# 的密码学算法库。它提供了 Java 平台标准（JCA/JCE）未能提供的、以及许多其他的密码学算法和标准实现。

简单来说，它是一个功能极其丰富的"密码学工具箱"，被广泛应用于需要加密、解密、数字签名、证书处理等安全功能的软件开发中。

主要特性与功能

Bouncy Castle 的功能非常庞大，主要包括以下几个方面：

1. 丰富的对称加密算法：

AES, DES, Triple-DES, Blowfish, Twofish, CAST5, RC2, RC4, RC5, RC6, IDEA, ChaCha, Salsa20, SM4 等。

2. 丰富的非对称加密与密钥协商算法：

RSA, DSA, DH (Diffie-Hellman), ECDSA (椭圆曲线数字签名算法), ECDH (椭圆曲线 Diffie-Hellman 密钥协商), ElGamal, SM2 (中国国密算法) 等。

3. 丰富的消息摘要（哈希）算法：

MD5, SHA-1, SHA-2家族（SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512）, SHA-3, RIPEMD, Tiger, Whirlpool, SM3 (中国国密算法) 等。

4. 消息认证码（MAC）算法：

HMac (基于各种哈希算法, 如 HMac-SHA256), CMAC, GMAC, Poly1305 等。

5. 对密码学标准和格式的广泛支持（这是其一大亮点）：

X.509 证书：生成、解析、转换（PEM/DER）、验证（CRL, OCSP）。

PKCS#7/CMS 和 S/MIME：用于加密和签名消息的标准。

PKCS#10：证书签名请求（CSR）。

PKCS#12：个人信息交换格式（.p12, .pfx 文件）。

OpenPGP：对 PGP 密钥环、加密、签名消息的完整支持。

ASN.1：编解码和处理能力。

TLS/SSL：提供了轻量级的 API 用于构建 TLS 引擎（虽然通常不直接用于替换 JSSE，但可用于特殊场景）。

6. 轻量级密码学 API（Lightweight API）：

除了作为 JCE 提供商，Bouncy Castle 还提供了一套独立的、不依赖于 JCE 的轻量级 API。这套 API 设计得更简单、更直接，适用于那些不希望引入整个 JCE 复杂性的场景，尤其是在资源受限的环境（如 Android 早期版本）中非常有用。

作为 JCE 提供商

首先将 BouncyCastle 的 JAR 包（如 bcprov-jdk18on.jar）添加到你的项目依赖中（通过 Maven, Gradle 或手动添加）:

XML 复制代码

<dependency>
    <groupId>org.bouncycastle</groupId>
    <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
    <version>1.70</version> <!-- 使用最新版本 -->
</dependency>

然后在代码中注册提供商，并正常使用 JCA/JCE 的 API:

java 复制代码

static {
        // 注册Bouncy Castle提供者
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    }

而BouncyCastle的主要功能里面是支持AES算法的，而JCE又默认支持AES算法，所以在使用中到底该如何选择使用哪个库呢？这就可以通过指定Provider参数：

java 复制代码

import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.Security;
import javax.crypto.Cipher;
import java.security.Key;

public class BCExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 注册 Bouncy Castle 提供商
        Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

        // 2. 正常使用 JCE API，指定算法时使用 "BC" 提供商
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding", "BC");
        // ... 后续的初始化、加密、解密操作
        // KeyGenerator, KeyPairGenerator 等也是如此
    }
}

跟进一下JCE的Cipher类的getInstance方法：

总结

优点：

功能极其强大且全面，几乎涵盖了所有常见的密码学需求。
开源免费，代码可审计，安全性有保障。
活跃的社区和持续的维护。
提供了两种风格的 API（JCE 提供商和轻量级API）以适应不同需求。

注意事项：

学习曲线：由于其功能庞大，API 可能比较复杂，需要花时间学习。
性能：在某些情况下，其实现可能不如高度优化的本地库（如 OpenSSL）快，但对于绝大多数应用来说已经足够。
正确使用密码学：和所有密码学库一样，Bouncy Castle 只是一个工具，能否构建出安全的系统，更大程度上取决于开发者是否正确使用了这些算法和模式。

总而言之，BouncyCastle 是 Java 生态系统中密码学领域的事实标准 和瑞士军刀，是开发安全应用程序时不可或缺的强大工具。在后面一节，我们通过BouncyCastle来看看SM2非对称算法的实现及应用！