SM 国密算法踩坑指南

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各位,好久不见~

最近接手网联的国密改造项目,由于对国密算法比较陌生,前期碰到了一系列国密算法加解密的问题。

所以这次总结一下,分享这个过程遇到的问题,希望帮到大家。

国密

什么是国密算法?

国密就是一个口头上简称,官方名称是国家商用密码,使用拼音缩写 SM,它是用于商用的、不涉及国家秘密的密码技术。

那说起密码技术,大家一定很熟悉 MD5,AES,RSA 等算法,这些都是通用国际标准算法。

而国密其实就是这些国际算法国产化的代替方案,与国际算法对应关系如下:

这次国密改造项目使用的就是 SM2 国密算法。

SM2算法

SM2 国密算法是一种非对称加密算法,基于 ECC(椭圆加密算法), SM2 算法对标我们常用的国际算法 RSA。

但是 SM2 算法由于基于 ECC,签名速度与秘钥速度都快于 RSA。另外 SM2 采用 ECC 256 位,安全强度比 RSA 2048 位更高,且运算速度同样也高于 ESA。

熟悉 RSA 算法同学应该知道,非对称加密算法,会有一对公私钥。

  • 私钥可以用于加签,公钥可以用于验签。
  • 公钥可以用于加密,私钥可以用于解密

同样 SM2 算法也有一对公私钥,它们的长度远远小于 RSA 公私钥。

SM2 私钥,一个大于等于 1 且小于 n-1的整数(n 为 sm2 算法的阶),长度为 256 位,即 32 个字节,通常会用 16 进制表示。

SM2 私钥:B17EACC0BB629AB92C591287F2FA4589D10CD1E13BD4BDFDC9589A940F937C7C

SM2 公钥,SM2 椭圆曲线上的一个点,由横坐标与纵坐标两个分量构成,每个长度分量长度为 256 位,通常也用 16 进制表示。

SM2 公钥一般有两种表示方法:

  • X|Y,即 X与 Y两个分量拼接在一起,总共 64 个字节。

    - 04|X|Y,有些给出公钥与上面格式一样,只不过前面增加 04,代表非压缩,整个公钥长度变成 65 字节。

  • 分开展示,公钥 X,公钥 Y
公钥 X|Y:53B97D723AA4CEAC97A13B8C50AA53D40DE36960CFC3A3D7929FD54F39F824ED5A4A27AF871AD62C25C75C9D75C75A0907C565A78B805E9502E616C4E77F3B42
公钥 X:53B97D723AA4CEAC97A13B8C50AA53D40DE36960CFC3A3D7929FD54F39F824ED
公钥 Y:5A4A27AF871AD62C25C75C9D75C75A0907C565A78B805E9502E616C4E77F3B42

SM2 算法与 RSA 算法一样,可以用于数字签名,也可以用于加密场景,下面我们来看下数字签名场景下 SM2 算法原理。

SM2 数字签名算法

SM2 签名算法还是比较复杂,这里只截取数字签名的生成、验证算法原理。

详细文档可以搜索:『GB/T32918.2—2016 信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥 密码算法 第2部分:数字签名算法』

sm2 加签

数字签名生成算法,即加签流程:

加签流程图如下:

sm2 验签

数字签名验证算法,即验签流程:

验签流程图:

SM2 签名数据

上面加签流程我们可以看到,SM2 加签之后产生的签名为(R,S),这一点与 RSA算法不同,RSA 算法加签之后签名就是一个值。

SM2 签名一般有两种数据格式,国标(GM/T 0009-2012 SM2 密码算法使用规范)规定签名数据格式,使用** ASN.1** 格式定义,具体格式如下:

通常使用硬件加密机加签产生的数字数字签名将会使用这种格式。

SM2 数字签名另外一种方式就比较简单,格式为R|S,即直接将两者拼接在一起表示。

通常使用软件加密产生数字签名将会使用这种数据格式。

SM2 公钥加密算法

SM2 加密算法也是比较复杂,这里只截取加密、解密原理

详细文档可以搜索:『GB/T 32918.4—2016 信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥 密码算法 第4部分:公钥加密算法』

sm2 加密算法

SM2解密算法

SM2 加密数据

SM2 加密数据将会产生三个值:

  • C1 为随机产生的公钥
  • C2 为密文,与明文长度等长
  • C3 为 SM3 算法对明文数计算得到消息摘要,长度固定为 256 位

SM2 加密数据一般有两种数据格式,国标(GM/T 0009-2012 SM2 密码算法使用规范)规定加密数据格式,使用 ASN.1格式定义,具体格式如下:

通常使用硬件加密机加签产生的加密数据将会使用这种格式。

SM2 加密数据另外一种方式就比较简单,格式为 C1|C3|C2,即直接将三者拼接在一起表示。

通常使用软件加密产生数字签名将会使用这种数据格式。

这里需要注意一点,有些加密数据格式也会使用 C1|C2|C3,加解密之间需要注意格式。

SM2 相关问题

SM2 合规上通常需要使用硬件加密机,这种方案直接调用厂商的提供加密接口就好了,安全又比较简单。

但是这个方案需要采购相关硬件,成本比较高。

SM2 算法也可以使用软加密的方案,底层主要依赖 Bouncy Castle 库。

软加密的方案在于开箱即用,开发成本较低。

软件加密方案,Bouncy Castle 库封装的工具类,已经大大降低国密开发的难度。

如果不想开发可以直接使用 HuTool 工具类:

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

如果想自己封装的话,可以参考下面文章

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

https://github.com/xjfuuu/SM2_SM3_SM4Encrypt

不同的加密方案,加签、加密输出的结果格式不同。如果直接拿硬件加密方案生成加密结果,然后直接使用软件加密方案去解密,就会导致解密失败。

SM2 算法联调测试的时候,这一点比较头疼,下面讲下这次国密改造中碰到一些问题。

SM2 公私钥读取

SM2 如果用到数字签名,也用到加密的话,这个情况下我们就需要向 CA 机构,例如 CFCA,申请国密双证书。

CFCA 申请结果如下:

SM2 双证书,分为签名证书,加密证书。我们申请获取两个证书需要给到对手方,同样对手方也需要把他们双证书给我们。

这个过程签名需要使用自身签名证书对应的私钥,验签使用对手方签名证书包含的公钥。

加密使用对手方的加密证书包含的公钥,解密需要使用自身加密证书的对应的私钥。

这个流程比 RSA 单证书的情况复杂了很多。

我们拿到数字证书之后,如果需要从里面提取公钥,扩在下面的网站在线解析。

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

下图选中就是证书中包含的公钥

SM2 数字签名问题

SM2 国标规定的加签数据格式使用 ASN.1,所以部分硬件厂商加签输出格式就是这种。

但是如果我们使用 BC 库加签输出格式直接使用 R|S。

如果是这种情况,我们就需要在明文 R|S 与 ASN.1 之间做相互的转换。

最新版本的 BC 库,已经提供转换的换方式。

<dependency>
            <groupId>org.bouncycastle</groupId>
            <artifactId>bcprov-jdk15to18</artifactId>
            <version>1.69</version>
        </dependency>

可以使用下面的方式,输出签名结果为 ASN.1 格式

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

也可以使用下面这种方式吗,输出签名结果为 R|S

// 前面输出 R|S
        new SM2Signer(PlainDSAEncoding.INSTANCE, new SM3Digest());

如果是低版本,只能通过自己写代码转换了。代码就不贴了,参考下面这篇文章:

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

SM2 加密问题

SM2 加密结果,国标规定使用 ASN.1 格式,所以部分硬件厂商加密结果使用这种格式。

但是 BC 库加密的结果是 C1|C3|C2,所以我们需要做一层转换。

转换代码如下:

将ASN1格式转成c1c3c2

/**
     * 将ASN1格式转成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();
        // 不压缩

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

将 c1c3c2格式转成ASN1

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

    /**
     * 将c1c3c2转成标准的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);
    }

这里需要注意一下,低版本的 BC 库加密结果是 C1|C2|C3,这就很坑了,现在很多都是 C1|C3|C2,这就又需要做转换。

转换代码参考这篇文章:

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

总结

SM2 国密算法属于非对称加密算法,理解起来不是很难。

但是由于普及程度较低,现有资料太少,所以开发来还是比较复杂,碰到的问题也比较多。

建议大家开发之前可以先了解一下国密 SM2 相关国标规范,不需要很深入了解整个原理,但是需要知道国密 SM2 与 RSA 的区别点。

国密算法实现上,软加密我们可以直接用 BC 库,硬加密直接使用厂商提供的相关接口,这一点难度还好。

国密最大难度是,各个硬件与软加密,使用规范不一致,输出格式不一致,这就导致我们联调过程,加签/验签,加密/解密失败。

这就比较蛋疼,所以调试双方国密算法一致性过程中,建议先确认加签、加密输出格式,搞清楚这个,联调就比较简单了。

最后,祝大家对接国密算法顺利~

帮助资料

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

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

https://github.com/xjfuuu/SM2_SM3_SM4Encrypt


本文首发于: https://studyidea.cn/sm2_bug

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