国密算法—SM2介绍及基于BC的实现
文章目录
- 国密算法—SM2介绍及基于BC的实现
- 简介
- 私钥
- 公钥
- 数据格式
- 密钥数据格式
- 私钥数据格式
- 公钥数据格式
- 加密数据格式
- 签名数据格式
- 计算过程
- 生成密钥
- 加密
- 解密
- 预处理
- 预处理1
- 预处理2
- 数字签名
- 签名验证
- Java基于BC实现SM2加解密
简介
SM2密码算法是一种椭圆(非对称)密码算法
- 加密强度：256位（私钥长度）；
- 公私钥长度：公钥长度为64字节(512位)，私钥32字节（256位）；
- 支持签名最大数据量及签名结果长度：最大签名数据量长度无限制；签名结果为64字节（但由于签名后会做ASN.1编码，实际输出长度为70-72字节）；
- 支持加密最大数据量及加密后结果长度：支持最大近128G字节数据长度；加密结果(
C=C1C3C2)增加96字节【C1(64字节) + C3(32字节)】(如果首个字节为0x04则增加97字节，实际有效96字节)
私钥
SM2私钥是一个大于1且小于n-1的整数（n为SM2算法的阶，其值参见GM/T 0003），简记为k，长度为256位（32字节）。
公钥
SM2公钥是SM2曲线上的一个点，由横坐标和纵坐标两个分量来表示，记为（x，y），简记为Q，每个分量的长度为256位，总长度为512位（64字节，不包含公钥标识）。
数据格式
密钥数据格式
私钥数据格式
SM2算法私钥数据格式的ASN.1定义为：
SM2PrivateKey::=INTEGER公钥数据格式
SM2算法公钥数据格式的ASN.1定义为：
SM2PublicKey::=BIT STRINGSM2PublicKey为BIT STRING类型，内容为04||X|||Y，其中X和Y分别标示公钥的x分量和y的分量，其长度各位256位。04用来标示公钥为非压缩格式（压缩格式用02标识）。
加密数据格式
SM2算法加密后的数据格式的ASN.1定义为：
SM2Cipher::= SEQENCE{
XCoordinate INTEGER， --x 分量 32字节（256位）
YCoordinate INTEGER， --y 分量 32字节（256位）
HASH OCTET STRING SIZE(32), --杂凑值 32字节（256位）
CipherText OCTET STRING --密文 等于明文长度
}其中，HASH为使用SM3算法对明文数据运算得到的杂凑值，其长度固定为256位。CipherText是与明文等长的密文。因此SM2加密后的密文长度比明文长度增加了97字节（1字节04标识 + 32字节x分量 + 32字节y分量 + 32字节Hash）
签名数据格式
SM2算法签名数据格式的ASN.1定义为：
SM2Signature::={
R INTEGER, --签名值的第一部分 32字节（256位）
S INTEGER --签名值的第二部分 32字节（256位）
}R和S的长度各位32字节。因此签名后的数据长度为固定的64字节
计算过程
生成密钥
SM2密钥生成是指生成SM2算法的密钥对的过程，该密钥对包括私钥与之对应的公钥。其中，私钥长度为256位，公钥长度为512位。
- 输入
无 - 输出
k SM2PrivateKey SM2私钥 256位Q SM2PublicKey SM2公钥 512位
详细计算过程参见GM/T 0003
加密
SM2加密是指使用指定的公开密钥对明文进行特定的加密计算，生成相应密文的过程。该密文只能由该指定公开密钥对应的私钥解密。
- 输入
Q SM2PublicKey SM2公钥m 字节串 待加密的明文数据 - 输出
c SM2Cipher 密文
其中：
- 输出参数c的格式由本规范7.2中定义；
- 输出参数c中的
XCoordinate、YCoordinate（俗称C1）为随机产生的公钥的x分量和y分量256位； - 输出参数c中的
HASH（俗称C3）的计算公式为HASH = SM3(x||m||y),其中，x,y为公钥Q的x分量和y分量； - 输出参数c中的
CipherText（俗称C2）为加密密文，其长度等于明文长度。
解密
SM2解密是指使用指定的私钥对密文进行解密计算，还原对应明文的过程。
- 输入
d SM2PrivateKey SM2私钥c SM2Cipher 密文 - 输出
m 字节串 与密文对应的明文
m为SM2Cipher经过解密运算得到明文，该明文的长度与输入参数c中的CipherText(俗称C2)的长度相同。
详细的计算过程参见GM/T 0003。
预处理
预处理1
预处理1是指使用签名方的用户身份标识和签名方公钥，通过运算得到Z指的过程。Z值用于预处理2，也用于SM2密钥协商协议。
- 输入
ID 字节串 用户身份标识Q SM2PublicKey 用户的公钥 - 输出
Z 字节串 预处理1的输出
计算公式为：
Z = SM3(ENTL||ID||a||b||XG||yG||XA||yA)
其中：
- ENTL 为由2个字节标示的ID的比特长度；
- ID 为用户身份标识；
- a、b 为系统曲线参考；
- XG、yG 为基点；
- XA、yA 为用户公钥；
详细计算过程参见GM/T 0003 和 GM/T 0004。
预处理2
预处理2是指使用Z值和待签名消息，通过SM3运算得到的杂凑值H的过程。杂凑值H用于SM2数字签名。
- 输入
Z 字节串 预处理2的输入M 字节串 待签名消息 - 输出
H 字节串 杂凑值
计算公式为：
H = SM3(Z||M)
详细计算过程参见GM/T 0003 和 GM/T 0004。
数字签名
SM2签名是指使用预处理的结果和签名者的私钥，通过签名计算得到签名结果的过程。
- 输入
d SM2Privatekey 签名者私钥H 字节串 预处理2的结果 - 输出
sign SM2Signature 签名值
详细计算过程参见GM/T 0003
签名验证
SM2签名验证是指使用预处理2的结果、签名值和签名者的公钥。通过验签计算确定签名是否通过验证的过程。
- 输入
H 字节串 预处理2的结果sign SM2Signature 签名值Q PublicKey 签名者的公钥 - 输出
为真：表示验证通过；为假：表示验证不通过；
详细计算过程参见GM/T 0003
Java基于BC实现SM2加解密
BouncyCastle在1.57版本已经提供对SM椭圆曲线密码算法的支持，不过对SM2仅提供C1C2C3模式的加解密。在1.62+版本中已经增加了对C1C3C2模式加解密的支持。
public enum Mode
{
C1C2C3, C1C3C2;
}这里使用BouncyCastle 1.68版本进行测试
@SpringBootTest
class DemoApplicationTests {
@Test
void contextLoads() {
testSM2();
}
static void testSM2() {
String publicKeyHex = null;
String privateKeyHex = null;
KeyPair keyPair = createECKeyPair();
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
if (publicKey instanceof BCECPublicKey) {
//获取65字节非压缩缩的十六进制公钥串(0x04)
publicKeyHex = Hex.toHexString(((BCECPublicKey) publicKey).getQ().getEncoded(false));
System.out.println("---->SM2公钥：" + publicKeyHex);
}
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
if (privateKey instanceof BCECPrivateKey) {
//获取32字节十六进制私钥串
privateKeyHex = ((BCECPrivateKey) privateKey).getD().toString(16);
System.out.println("---->SM2私钥：" + privateKeyHex);
}
//TODO...可对以上公钥进行分发传输
/**
* 公钥加密
*/
String data = "=========待加密数据=========";
//将十六进制公钥串转换为 BCECPublicKey 公钥对象
BCECPublicKey bcecPublicKey = getECPublicKeyByPublicKeyHex(publicKeyHex);
String encryptData = encrypt(bcecPublicKey, data, 1);
System.out.println("---->加密结果：" + encryptData);
/**
* 私钥解密
*/
//将十六进制私钥串转换为 BCECPrivateKey 私钥对象
BCECPrivateKey bcecPrivateKey = getBCECPrivateKeyByPrivateKeyHex(privateKeyHex);
data = decrypt(bcecPrivateKey, encryptData, 1);
System.out.println("---->解密结果：" + data);
}
/**
* 生成密钥对
*/
static KeyPair createECKeyPair() {
//使用标准名称创建EC参数生成的参数规范
final ECGenParameterSpec sm2Spec = new ECGenParameterSpec("sm2p256v1");
// 获取一个椭圆曲线类型的密钥对生成器
final KeyPairGenerator kpg;
try {
kpg = KeyPairGenerator.getInstance("EC", new BouncyCastleProvider());
// 使用SM2算法域参数集初始化密钥生成器（默认使用以最高优先级安装的提供者的 SecureRandom 的实现作为随机源）
// kpg.initialize(sm2Spec);
// 使用SM2的算法域参数集和指定的随机源初始化密钥生成器
kpg.initialize(sm2Spec, new SecureRandom());
// 通过密钥生成器生成密钥对
return kpg.generateKeyPair();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
/**
* 公钥加密
*
* @param publicKey SM2公钥
* @param data 明文数据
* @param modeType 加密模式
* @return
*/
public static String encrypt(BCECPublicKey publicKey, String data, int modeType) {
//加密模式
SM2Engine.Mode mode;
if (modeType == 1) {
mode = SM2Engine.Mode.C1C3C2;
} else {
mode = SM2Engine.Mode.C1C2C3;
}
//通过公钥对象获取公钥的基本域参数。
ECParameterSpec ecParameterSpec = publicKey.getParameters();
ECDomainParameters ecDomainParameters = new ECDomainParameters(ecParameterSpec.getCurve(),
ecParameterSpec.getG(), ecParameterSpec.getN());
//通过公钥值和公钥基本参数创建公钥参数对象
ECPublicKeyParameters ecPublicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(publicKey.getQ(), ecDomainParameters);
//根据加密模式实例化SM2公钥加密引擎
SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine(mode);
//初始化加密引擎
sm2Engine.init(true, new ParametersWithRandom(ecPublicKeyParameters, new SecureRandom()));
byte[] arrayOfBytes = null;
try {
//将明文字符串转换为指定编码的字节串
byte[] in = data.getBytes("utf-8");
//通过加密引擎对字节数串行加密
arrayOfBytes = sm2Engine.processBlock(in, 0, in.length);
} catch (Exception e) {
System.out.println("SM2加密时出现异常:" + e.getMessage());
e.printStackTrace();
}
//将加密后的字节串转换为十六进制字符串
return Hex.toHexString(arrayOfBytes);
}
/**
* 私钥解密
*
* @param privateKey SM私钥
* @param cipherData 密文数据
* @return
*/
public static String decrypt(BCECPrivateKey privateKey, String cipherData, int modeType) {
//解密模式
SM2Engine.Mode mode;
if (modeType == 1) {
mode = SM2Engine.Mode.C1C3C2;
} else {
mode = SM2Engine.Mode.C1C2C3;
}
//将十六进制字符串密文转换为字节数组（需要与加密一致，加密是：加密后的字节数组转换为了十六进制字符串）
byte[] cipherDataByte = Hex.decode(cipherData);
//通过私钥对象获取私钥的基本域参数。
ECParameterSpec ecParameterSpec = privateKey.getParameters();
ECDomainParameters ecDomainParameters = new ECDomainParameters(ecParameterSpec.getCurve(),
ecParameterSpec.getG(), ecParameterSpec.getN());
//通过私钥值和私钥钥基本参数创建私钥参数对象
ECPrivateKeyParameters ecPrivateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(privateKey.getD(),
ecDomainParameters);
//通过解密模式创建解密引擎并初始化
SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine(mode);
sm2Engine.init(false, ecPrivateKeyParameters);
String result = null;
try {
//通过解密引擎对密文字节串进行解密
byte[] arrayOfBytes = sm2Engine.processBlock(cipherDataByte, 0, cipherDataByte.length);
//将解密后的字节串转换为utf8字符编码的字符串（需要与明文加密时字符串转换成字节串所指定的字符编码保持一致）
result = new String(arrayOfBytes, "utf-8");
} catch (Exception e) {
System.out.println("SM2解密时出现异常" + e.getMessage());
}
return result;
}
//椭圆曲线ECParameters ASN.1 结构
private static X9ECParameters x9ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
//椭圆曲线公钥或私钥的基本域参数。
private static ECParameterSpec ecDomainParameters = new ECParameterSpec(x9ECParameters.getCurve(), x9ECParameters.getG(), x9ECParameters.getN());
/**
* 公钥字符串转换为 BCECPublicKey 公钥对象
*
* @param pubKeyHex 64字节十六进制公钥字符串(如果公钥字符串为65字节首个字节为0x04：表示该公钥为非压缩格式，操作时需要删除)
* @return BCECPublicKey SM2公钥对象
*/
public static BCECPublicKey getECPublicKeyByPublicKeyHex(String pubKeyHex) {
//截取64字节有效的SM2公钥（如果公钥首个字节为0x04）
if (pubKeyHex.length() > 128) {
pubKeyHex = pubKeyHex.substring(pubKeyHex.length() - 128);
}
//将公钥拆分为x,y分量（各32字节）
String stringX = pubKeyHex.substring(0, 64);
String stringY = pubKeyHex.substring(stringX.length());
//将公钥x、y分量转换为BigInteger类型
BigInteger x = new BigInteger(stringX, 16);
BigInteger y = new BigInteger(stringY, 16);
//通过公钥x、y分量创建椭圆曲线公钥规范
ECPublicKeySpec ecPublicKeySpec = new ECPublicKeySpec(x9ECParameters.getCurve().createPoint(x, y), ecDomainParameters);
//通过椭圆曲线公钥规范，创建出椭圆曲线公钥对象（可用于SM2加密及验签）
return new BCECPublicKey("EC", ecPublicKeySpec, BouncyCastleProvider.CONFIGURATION);
}
/**
* 私钥字符串转换为 BCECPrivateKey 私钥对象
*
* @param privateKeyHex: 32字节十六进制私钥字符串
* @return BCECPrivateKey:SM2私钥对象
*/
public static BCECPrivateKey getBCECPrivateKeyByPrivateKeyHex(String privateKeyHex) {
//将十六进制私钥字符串转换为BigInteger对象
BigInteger d = new BigInteger(privateKeyHex, 16);
//通过私钥和私钥域参数集创建椭圆曲线私钥规范
ECPrivateKeySpec ecPrivateKeySpec = new ECPrivateKeySpec(d, ecDomainParameters);
//通过椭圆曲线私钥规范，创建出椭圆曲线私钥对象（可用于SM2解密和签名）
return new BCECPrivateKey("EC", ecPrivateKeySpec, BouncyCastleProvider.CONFIGURATION);
}
}测试结果
---->SM2公钥：045c798b7bdedff4ace6b935269b8cc79ddeac67000f4d4f94adbfc982398ce7b72343542b035a7b9242e4f470ce495d858d5129975d7ca207ddcfae59fc1eb66d
---->SM2私钥：466a7234630258356942a47fc32b848966c557aacbe7439d4a2bb397d0cf9144
---->加密结果：04bff9cab1e38d743f87b524dae8be97d3d0fce55d9f3771a5bcf02d9a6c162e96bdefb8e91ccffddacaecfb0281bbc22ae908484c5c1ecf57a7d654efc06f9a89b0ba182264eab6e0ba1a76b21edab10f4ee221b774bba979101a9e3c57affeeffcef48ead5039f4da57d8ea4b1541ec2a290530419b61cc99938f1f885fe10bb57
---->解密结果：=========待加密数据=========
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