一、代码运行结果
二、国密算法与密钥协商背景
2.1 什么是国密算法？
国密算法是由中国国家密码管理局制定的商用密码标准，包括：
- SM2：椭圆曲线公钥密码算法（非对称加密/签名/密钥协商）
- SM3：密码杂凑算法（哈希）
- SM4：分组密码算法（对称加密）
2.2 密钥协商的意义
在安全通信中，双方需要在不安全的信道上协商出相同的会话密钥，用于后续对称加密。SM2密钥协商协议解决了以下问题：
- 避免预先共享密钥
- 抵抗中间人攻击
- 支持双向身份认证
三、SM2密钥协商原理详解
3.1 核心流程（基于ECMQV协议）
| 步骤 | 角色A（发起方） | 角色B（响应方） |
|---|---|---|
| 1 | 生成临时密钥对 (rA, RA) | 生成临时密钥对 (rB, RB) |
| 2 | 发送RA给B | 发送RB给A |
| 3 | 使用双方公钥和临时公钥计算共享密钥 | 使用双方公钥和临时公钥计算共享密钥 |
3.2 关键公式
共享密钥 = KDF( x_U \cdot (d_A + r_A \cdot s_A) \cdot (P_B + [s_B] \cdot R_B) )
x_U：椭圆曲线点坐标的x分量d_A：A方私钥r_A：A方临时私钥s_A/s_B：静态公钥派生参数
四、Java实现环境准备
4.1 依赖配置
<!-- Bouncy Castle国密支持 -->
<dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId><version>1.65</version>
</dependency>
4.2 初始化安全提供者
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.Security;public class SM2KeyExchange {static {Security.addProvider(new BouncyCastleProvider()); // 添加BC提供者}
}
五、Java核心代码实现（含详细注释）
5.1 密钥对生成工具类
/*** 生成SM2静态密钥对*/public static KeyPair generateStaticKeyPair() throws Exception {ECParameterSpec sm2Spec = ECNamedCurveTable.getParameterSpec("sm2p256v1");KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("EC", "BC");kpg.initialize(sm2Spec, new SecureRandom());return kpg.generateKeyPair();}/*** 生成临时密钥对（用于密钥协商）*/public static KeyPair generateEphemeralKeyPair() throws Exception {return generateStaticKeyPair();}
5.2 密钥协商核心逻辑
/*** 发起方计算共享密钥* @param staticKeyPair 己方静态密钥对* @param ephemeralKeyPair 己方临时密钥对* @param otherStaticPub 对方静态公钥* @param otherEphemeralPub 对方临时公钥* @return 共享密钥字节数组*/public static byte[] initiatorAgreement(KeyPair staticKeyPair,KeyPair ephemeralKeyPair,PublicKey otherStaticPub,PublicKey otherEphemeralPub) {ECMQVBasicAgreement agreement = new ECMQVBasicAgreement();// 构建本地私钥参数（包含静态私钥、临时私钥和临时公钥）MQVPrivateParameters localParams = new MQVPrivateParameters((ECPrivateKeyParameters) convertToBC(staticKeyPair.getPrivate()),(ECPrivateKeyParameters) convertToBC(ephemeralKeyPair.getPrivate()),(ECPublicKeyParameters) convertToBC(ephemeralKeyPair.getPublic()));// 初始化时仅传递本地私钥参数agreement.init(localParams); // 构建远端公钥参数（对方静态公钥 + 临时公钥）MQVPublicParameters remoteParams = new MQVPublicParameters((ECPublicKeyParameters) convertToBC(otherStaticPub),(ECPublicKeyParameters) convertToBC(otherEphemeralPub));// 计算协商结果时传递远端公钥参数BigInteger sharedSecret = agreement.calculateAgreement(remoteParams); return sharedSecret.toByteArray();}5.3 密钥派生函数（KDF）示例
import org.bouncycastle.crypto.Digest;
import org.bouncycastle.crypto.digests.SM3Digest;
import org.bouncycastle.crypto.generators.KDF2BytesGenerator;/*** 国密KDF实现*/
public class SM2KDF {/*** 使用SM3进行密钥派生* @param sharedSecret 原始共享密钥* @param keyLength 目标密钥长度（单位：字节）*/public static byte[] kdf(byte[] sharedSecret, int keyLength) {Digest digest = new SM3Digest();KDF2BytesGenerator kdf = new KDF2BytesGenerator(digest);kdf.init(new KDFParameters(sharedSecret, new byte[0])); // 无盐值byte[] derivedKey = new byte[keyLength];kdf.generateBytes(derivedKey, 0, keyLength);return derivedKey;}
}
六、应用场景分析
6.1 典型应用场景
| 场景 | 说明 |
|---|---|
| 物联网安全通信 | 设备与云端协商会话密钥，用于加密传感器数据 |
| 移动支付 | POS终端与支付网关建立安全通道 |
| 视频会议加密 | 参与方动态协商密钥，保证会议内容机密性 |
6.2 协议优势
- 前向安全性：临时密钥对使用后立即销毁，即使长期密钥泄露，历史会话仍安全
- 双向认证：可结合数字证书验证双方身份
- 国密合规：满足等保2.0和金融行业安全要求
七、注意事项与优化建议
7.1 安全注意事项
- 随机数质量：密钥协商中的临时密钥必须使用密码学安全随机数生成器
- 密钥派生：必须使用KDF（如SM3）处理原始共享密钥，避免直接使用
- 密钥生命周期：协商出的会话密钥应定期更新（建议不超过24小时）
7.2 性能优化技巧
- 预生成临时密钥：在高并发场景中预生成临时密钥池
- 硬件加速：使用支持SM2的HSM（硬件安全模块）提升计算速度
- 缓存复用：在短连接场景中复用会话密钥（需权衡安全性）
八、完整测试案例
public static void main(String[] args) throws Exception {Security.addProvider(new org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider());// 1. 生成双方静态密钥对KeyPair aliceStaticKey = generateStaticKeyPair();KeyPair bobStaticKey = generateStaticKeyPair();// 2. 生成临时密钥对KeyPair aliceEphemeralKey = generateEphemeralKeyPair();KeyPair bobEphemeralKey = generateEphemeralKeyPair();// 3. Alice作为发起方计算共享密钥byte[] aliceSharedSecret = SM2KeyAgreement.initiatorAgreement(aliceStaticKey,aliceEphemeralKey,bobStaticKey.getPublic(),bobEphemeralKey.getPublic());// 4. Bob作为发起方计算共享密钥（对称操作）byte[] bobSharedSecret = SM2KeyAgreement.initiatorAgreement(bobStaticKey,bobEphemeralKey,aliceStaticKey.getPublic(),aliceEphemeralKey.getPublic());// 5. 验证密钥一致性System.out.println("密钥协商是否成功: " +Arrays.equals(aliceSharedSecret, bobSharedSecret));// 6. 派生实际加密密钥（生成128位SM4密钥）byte[] sm4Key = Arrays.copyOfRange(aliceSharedSecret, 0, 16);System.out.println("SM4密钥: " + Hex.toHexString(sm4Key));
九、总结
本文完整实现了基于SM2国密算法的密钥协商协议，包含以下核心内容：
- 原理剖析：基于ECMQV协议的密钥交换流程
- 代码实现：静态/临时密钥生成、协商计算、KDF派生
- 场景分析：物联网、金融支付等典型应用场景
注意事项：生产环境请结合证书体系实现身份认证。
希望这篇文章对你有所帮助！如果觉得不错，别忘了点赞收藏哦！
