SM 國密算法踩坑指南

各位，好久不見~

最近接手網(wǎng)聯(lián)的國密改造項目，由于對國密算法比較陌生，前期碰到了一系列國密算法加解密的問題。

所以這次總結(jié)一下，分享這個過程遇到的問題，希望幫到大家。

國密

什么是國密算法？

國密就是一個口頭上簡稱，官方名稱是國家商用密碼，使用拼音縮寫 SM，它是用于商用的、不涉及國家秘密的密碼技術(shù)。

那說起密碼技術(shù)，大家一定很熟悉 MD5，AES，RSA 等算法，這些都是通用國際標(biāo)準(zhǔn)算法。

而國密其實就是這些國際算法國產(chǎn)化的代替方案，與國際算法對應(yīng)關(guān)系如下：

這次國密改造項目使用的就是 SM2 國密算法。

SM2算法

SM2 ?國密算法是一種非對稱加密算法，基于 ECC（橢圓加密算法）， SM2 算法對標(biāo)我們常用的國際算法 RSA。

但是 SM2 算法由于基于 ECC，簽名速度與秘鑰速度都快于 RSA。另外 SM2 采用 ECC 256 位，安全強度比 RSA 2048 位更高，且運算速度同樣也高于 ESA。

熟悉 RSA 算法同學(xué)應(yīng)該知道，非對稱加密算法，會有一對公私鑰。

• 私鑰可以用于加簽，公鑰可以用于驗簽。

• 公鑰可以用于加密，私鑰可以用于解密

同樣 SM2 算法也有一對公私鑰，它們的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 RSA 公私鑰。

SM2 私鑰，一個大于等于 1 且小于 n-1的整數(shù)(n 為 sm2 算法的階)，長度為 256 位，即 32 個字節(jié)，通常會用 16 進制表示。

SM2 私鑰：B17EACC0BB629AB92C591287F2FA4589D10CD1E13BD4BDFDC9589A940F937C7C

SM2 公鑰，SM2 橢圓曲線上的一個點，由橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)兩個分量構(gòu)成，每個長度分量長度為 256 位，通常也用 16 進制表示。

SM2 公鑰一般有兩種表示方法：

• X|Y，即 X與 Y兩個分量拼接在一起，總共 64 個字節(jié)。

????- 04|X|Y，有些給出公鑰與上面格式一樣，只不過前面增加 04，代表非壓縮，整個公鑰長度變成 65 字節(jié)。

• 分開展示，公鑰 X，公鑰 Y

公鑰 X|Y：53B97D723AA4CEAC97A13B8C50AA53D40DE36960CFC3A3D7929FD54F39F824ED5A4A27AF871AD62C25C75C9D75C75A0907C565A78B805E9502E616C4E77F3B42
公鑰?X:53B97D723AA4CEAC97A13B8C50AA53D40DE36960CFC3A3D7929FD54F39F824ED
公鑰?Y:5A4A27AF871AD62C25C75C9D75C75A0907C565A78B805E9502E616C4E77F3B42

SM2 算法與 RSA 算法一樣，可以用于數(shù)字簽名，也可以用于加密場景，下面我們來看下數(shù)字簽名場景下 SM2 算法原理。

SM2 數(shù)字簽名算法

SM2 簽名算法還是比較復(fù)雜，這里只截取數(shù)字簽名的生成、驗證算法原理。

詳細(xì)文檔可以搜索：『GB/T32918.2—2016 信息安全技術(shù) SM2橢圓曲線公鑰 密碼算法 第2部分:數(shù)字簽名算法』

sm2 加簽

數(shù)字簽名生成算法，即加簽流程：

加簽流程圖如下：

sm2 驗簽

數(shù)字簽名驗證算法，即驗簽流程：

驗簽流程圖：

SM2 簽名數(shù)據(jù)

上面加簽流程我們可以看到，SM2 加簽之后產(chǎn)生的簽名為（R,S），這一點與 RSA算法不同，RSA 算法加簽之后簽名就是一個值。

SM2 簽名一般有兩種數(shù)據(jù)格式，國標(biāo)(GM/T 0009-2012 SM2 密碼算法使用規(guī)范)規(guī)定簽名數(shù)據(jù)格式，使用** ASN.1** 格式定義，具體格式如下：

通常使用硬件加密機加簽產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)字簽名將會使用這種格式。

SM2 數(shù)字簽名另外一種方式就比較簡單，格式為R|S，即直接將兩者拼接在一起表示。

通常使用軟件加密產(chǎn)生數(shù)字簽名將會使用這種數(shù)據(jù)格式。

SM2 公鑰加密算法

SM2 加密算法也是比較復(fù)雜，這里只截取加密、解密原理

詳細(xì)文檔可以搜索：『GB/T 32918.4—2016 信息安全技術(shù) SM2橢圓曲線公鑰 密碼算法 第4部分:公鑰加密算法』

sm2 加密算法

SM2解密算法

SM2 加密數(shù)據(jù)

SM2 加密數(shù)據(jù)將會產(chǎn)生三個值:

• C1 為隨機產(chǎn)生的公鑰

• C2 為密文，與明文長度等長

• C3 為 SM3 算法對明文數(shù)計算得到消息摘要，長度固定為 256 位

SM2 加密數(shù)據(jù)一般有兩種數(shù)據(jù)格式，國標(biāo)(GM/T 0009-2012 SM2 密碼算法使用規(guī)范)規(guī)定加密數(shù)據(jù)格式，使用 ASN.1格式定義，具體格式如下：

通常使用硬件加密機加簽產(chǎn)生的加密數(shù)據(jù)將會使用這種格式。

SM2 加密數(shù)據(jù)另外一種方式就比較簡單，格式為 C1|C3|C2，即直接將三者拼接在一起表示。

通常使用軟件加密產(chǎn)生數(shù)字簽名將會使用這種數(shù)據(jù)格式。

這里需要注意一點，有些加密數(shù)據(jù)格式也會使用 C1|C2|C3，加解密之間需要注意格式。

SM2 相關(guān)問題

SM2 合規(guī)上通常需要使用硬件加密機，這種方案直接調(diào)用廠商的提供加密接口就好了，安全又比較簡單。

但是這個方案需要采購相關(guān)硬件，成本比較高。

SM2 算法也可以使用軟加密的方案，底層主要依賴 Bouncy Castle 庫。

軟加密的方案在于開箱即用，開發(fā)成本較低。

軟件加密方案，Bouncy Castle 庫封裝的工具類，已經(jīng)大大降低國密開發(fā)的難度。

如果不想開發(fā)可以直接使用 HuTool 工具類：

https://hutool.cn/docs/#/crypto/國密算法工具-SmUtil?id=介紹

如果想自己封裝的話，可以參考下面文章

https://blog.csdn.net/pridas/article/details/86118774

https://github.com/xjfuuu/SM2_SM3_SM4Encrypt

不同的加密方案，加簽、加密輸出的結(jié)果格式不同。如果直接拿硬件加密方案生成加密結(jié)果，然后直接使用軟件加密方案去解密，就會導(dǎo)致解密失敗。

SM2 算法聯(lián)調(diào)測試的時候，這一點比較頭疼，下面講下這次國密改造中碰到一些問題。

SM2 公私鑰讀取

SM2 如果用到數(shù)字簽名，也用到加密的話，這個情況下我們就需要向 CA 機構(gòu)，例如 CFCA，申請國密雙證書。

CFCA 申請結(jié)果如下：

SM2 雙證書，分為簽名證書，加密證書。我們申請獲取兩個證書需要給到對手方，同樣對手方也需要把他們雙證書給我們。

這個過程簽名需要使用自身簽名證書對應(yīng)的私鑰，驗簽使用對手方簽名證書包含的公鑰。

加密使用對手方的加密證書包含的公鑰，解密需要使用自身加密證書的對應(yīng)的私鑰。

這個流程比 RSA 單證書的情況復(fù)雜了很多。

我們拿到數(shù)字證書之后，如果需要從里面提取公鑰，擴在下面的網(wǎng)站在線解析。

https://www.gmssl.cn/gmssl/index.jsp

下圖選中就是證書中包含的公鑰

SM2 數(shù)字簽名問題

SM2 國標(biāo)規(guī)定的加簽數(shù)據(jù)格式使用 ASN.1,所以部分硬件廠商加簽輸出格式就是這種。

但是如果我們使用 BC 庫加簽輸出格式直接使用 R|S。

如果是這種情況，我們就需要在明文 R|S 與 ASN.1 之間做相互的轉(zhuǎn)換。

最新版本的 BC 庫，已經(jīng)提供轉(zhuǎn)換的換方式。

????????<dependency>
????????????<groupId>org.bouncycastlegroupId>
????????????<artifactId>bcprov-jdk15to18artifactId>
????????????<version>1.69version>
????????dependency>

可以使用下面的方式，輸出簽名結(jié)果為 ASN.1 格式

new?SM2Signer(StandardDSAEncoding.INSTANCE,?new?SM3Digest());

也可以使用下面這種方式嗎，輸出簽名結(jié)果為 R|S

????????//?前面輸出?R|S
????????new?SM2Signer(PlainDSAEncoding.INSTANCE,?new?SM3Digest());

如果是低版本，只能通過自己寫代碼轉(zhuǎn)換了。代碼就不貼了，參考下面這篇文章：

https://blog.csdn.net/pridas/article/details/86118774

SM2 加密問題

SM2 加密結(jié)果，國標(biāo)規(guī)定使用 ASN.1 格式，所以部分硬件廠商加密結(jié)果使用這種格式。

但是 BC 庫加密的結(jié)果是 C1|C3|C2,所以我們需要做一層轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換代碼如下：

將ASN1格式轉(zhuǎn)成c1c3c2

????/**
?????*?將ASN1格式轉(zhuǎn)成c1c3c2
?????*
?????*?@param?asn1
?????*?@return
?????*?@throws?IOException
?????*/
????public?static?byte[]?changeAsn1ToC1C3C2(byte[]?asn1)?throws?IOException?{
????????ASN1InputStream?aIn?=?new?ASN1InputStream(asn1);
????????ASN1Sequence?seq?=?(ASN1Sequence)?aIn.readObject();
????????BigInteger?x?=?ASN1Integer.getInstance(seq.getObjectAt(0)).getValue();
????????BigInteger?y?=?ASN1Integer.getInstance(seq.getObjectAt(1)).getValue();
????????byte[]?c3?=?ASN1OctetString.getInstance(seq.getObjectAt(2)).getOctets();
????????byte[]?c2?=?ASN1OctetString.getInstance(seq.getObjectAt(3)).getOctets();
????????//?不壓縮

????????ECPoint?c1Point?=??GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1").getCurve().createPoint(x,?y);
????????byte[]?c1?=?c1Point.getEncoded(false);
????????return?ArrayUtil.addAll(c1,?c3,?c2);
????}

將 c1c3c2格式轉(zhuǎn)成ASN1

private?static?final?int?C1_LEN?=?65;
????private?static?final?int?C3_LEN?=?32;

????/**
?????*?將c1c3c2轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)的ASN1格式
?????*
?????*?@param?c1c3c2
?????*?@return
?????*?@throws?IOException
?????*/
????public?static?byte[]?changeC1C3C2ToAsn1(byte[]?c1c3c2)?throws?IOException?{
????????byte[]?c1?=?Arrays.copyOfRange(c1c3c2,?0,?C1_LEN);
????????byte[]?c3?=?Arrays.copyOfRange(c1c3c2,?C1_LEN,?C1_LEN?+?C3_LEN);
????????byte[]?c2?=?Arrays.copyOfRange(c1c3c2,?C1_LEN?+?C3_LEN,?c1c3c2.length);
????????byte[]?c1X?=?Arrays.copyOfRange(c1,?1,?33);
????????byte[]?c1Y?=?Arrays.copyOfRange(c1,?33,?65);

????????BigInteger?r?=?new?BigInteger(1,?c1X);
????????BigInteger?s?=?new?BigInteger(1,?c1Y);

????????ASN1Integer?x?=?new?ASN1Integer(r);
????????ASN1Integer?y?=?new?ASN1Integer(s);
????????DEROctetString?derDig?=?new?DEROctetString(c3);
????????DEROctetString?derEnc?=?new?DEROctetString(c2);
????????ASN1EncodableVector?v?=?new?ASN1EncodableVector();
????????v.add(x);
????????v.add(y);
????????v.add(derDig);
????????v.add(derEnc);
????????DERSequence?seq?=?new?DERSequence(v);
????????return?seq.getEncoded(ASN1Encoding.DER);
????}

這里需要注意一下，低版本的 BC 庫加密結(jié)果是 C1|C2|C3，這就很坑了，現(xiàn)在很多都是 C1|C3|C2,這就又需要做轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換代碼參考這篇文章：

https://blog.csdn.net/pridas/article/details/86118774

總結(jié)

SM2 國密算法屬于非對稱加密算法，理解起來不是很難。

但是由于普及程度較低，現(xiàn)有資料太少，所以開發(fā)來還是比較復(fù)雜，碰到的問題也比較多。

建議大家開發(fā)之前可以先了解一下國密 SM2 相關(guān)國標(biāo)規(guī)范，不需要很深入了解整個原理，但是需要知道國密 SM2 與 RSA 的區(qū)別點。

國密算法實現(xiàn)上，軟加密我們可以直接用 BC 庫，硬加密直接使用廠商提供的相關(guān)接口，這一點難度還好。

國密最大難度是，各個硬件與軟加密，使用規(guī)范不一致，輸出格式不一致，這就導(dǎo)致我們聯(lián)調(diào)過程，加簽/驗簽，加密/解密失敗。

這就比較蛋疼，所以調(diào)試雙方國密算法一致性過程中，建議先確認(rèn)加簽、加密輸出格式，搞清楚這個，聯(lián)調(diào)就比較簡單了。

最后，祝大家對接國密算法順利~

幫助資料

https://www.cnblogs.com/xinzhao/p/8963724.html

https://blog.csdn.net/pridas/article/details/86118774

https://github.com/xjfuuu/SM2_SM3_SM4Encrypt