Java使用SM4常见问题：如何正确实现ECB模式加解密？

Question

**Java使用SM4常见问题：如何正确实现ECB模式加解密？** 在使用Java实现国密SM4算法时，开发者常遇到如何正确使用ECB（Electronic Codebook）模式进行加解密的问题。由于ECB模式不使用IV（初始化向量），直接对明文分组加密，若使用不当易导致数据泄露或加密失败。常见问题包括：未正确填充数据导致长度不符、忽略BCProvider注册、误用密钥格式等。此外，部分开发者在解密时未处理字节截断，引发数据解析错误。如何在Java中结合Bouncy Castle库规范实现SM4 ECB模式的加解密操作，是实际开发中的关键难点。

Answer 1

Java使用SM4常见问题：如何正确实现ECB模式加解密？

1. 了解SM4算法与ECB模式的基本原理

SM4是中国国家密码管理局发布的对称加密算法标准，属于国密算法之一。它采用128位分组长度和128位密钥长度，适用于数据加密保护。

ECB（Electronic Codebook）是最基础的加密工作模式，其特点是每个明文块独立加密为密文块，不依赖其他块内容。因此，在相同密钥下，相同的明文块会生成相同的密文块，容易暴露数据模式。

虽然ECB模式简单高效，但安全性较低，通常仅用于非敏感数据或测试场景。

2. Java中实现SM4 ECB模式的常见问题

• 未注册Bouncy Castle Provider： Bouncy Castle是Java中最常用的第三方加密库，支持SM4算法。
• 未进行正确的PKCS7填充： SM4要求输入数据长度为16字节的整数倍，需进行适当填充。
• 误用密钥格式： 密钥应为16字节（128位），若长度不符会导致加密失败。
• 忽略字节截断处理： 解密后需要去除填充部分，否则可能导致解析错误。

3. 使用Bouncy Castle实现SM4 ECB加解密的步骤

1. 添加Bouncy Castle依赖到项目中（Maven示例）：

2. <dependency>
       <groupId>org.bouncycastle</groupId>
       <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
       <version>1.70</version>
   </dependency>

3. 在代码中注册Bouncy Castle提供者：

4. Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

5. 构造SM4 ECB加密器并设置密钥：

6. KeyParameter key = new KeyParameter(keyBytes); // keyBytes为16字节的密钥
   BlockCipher cipher = new SM4Engine();
   cipher.init(true, new KeyParameter(keyBytes));

7. 执行加密操作，并进行PKCS7填充：

8. PaddedBufferedBlockCipher encryptor = new PaddedBufferedBlockCipher(cipher);
   encryptor.init(true, new KeyParameter(keyBytes));
   byte[] input = "Hello, SM4!".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
   int blockSize = cipher.getBlockSize();
   byte[] paddedInput = pad(input, blockSize);
   byte[] output = new byte[encryptor.getOutputSize(paddedInput.length)];
   int length = encryptor.processBytes(paddedInput, 0, paddedInput.length, output, 0);
   encryptor.doFinal(output, length);

9. 执行解密操作，并去除填充：

10. BlockCipher decryptor = new SM4Engine();
    decryptor.init(false, new KeyParameter(keyBytes));
    byte[] decrypted = new byte[input.length];
    decryptor.processBlock(encrypted, 0, decrypted, 0);
    decrypted = unpad(decrypted);

4. 填充与去填充方法实现（PKCS7）

由于SM4是分组加密算法，必须保证输入数据长度为16字节的整数倍。以下是PKCS7填充方法的实现：

private static byte[] pad(byte[] data, int blockSize) {
    int paddingLength = blockSize - (data.length % blockSize);
    byte[] padded = new byte[data.length + paddingLength];
    System.arraycopy(data, 0, padded, 0, data.length);
    Arrays.fill(padded, data.length, padded.length, (byte) paddingLength);
    return padded;
}

private static byte[] unpad(byte[] data) {
    int paddingLength = data[data.length - 1];
    if (paddingLength > 0 && paddingLength <= 16) {
        byte[] result = new byte[data.length - paddingLength];
        System.arraycopy(data, 0, result, 0, result.length);
        return result;
    }
    return data;
}

5. 安全建议与注意事项

事项	说明
避免使用ECB模式于敏感数据	ECB模式不具备良好的扩散性，相同明文块会产生相同密文，易被分析。
确保密钥安全存储	SM4密钥为16字节，应通过安全方式生成、传输和保存。
加密前后编码一致性	加密前使用UTF-8编码，解密后也应保持一致的字符集。
异常处理机制	应对加密/解密过程中可能出现的异常，如无效密钥、非法数据长度等。

6. 加解密流程图

graph TD
            A[原始明文] --> B{是否满足16字节}
            B -- 是 --> C[直接加密]
            B -- 否 --> D[PKCS7填充]
            D --> C
            C --> E[输出密文]

            F[接收密文] --> G[使用SM4密钥解密]
            G --> H[去除填充]
            H --> I[还原明文]