6.开源非对称加密算法SM2实现

前期内容导读：

1. 开源加解密RSA/AES/SHA1/PGP/SM2/SM3/SM4介绍
2. 开源AES/SM4/3DES对称加密算法介绍及其实现
3. 开源AES/SM4/3DES对称加密算法的验证实现
4. 开源非对称加密算法RSA/SM2实现及其应用
5. 开源非对称加密算法RSA实现

1. 开源组件 非对称秘钥加密介绍

1.1 SM2的加解密实现

• 加解密核心逻辑

  public byte[] doCipher(byte[] data, byte[] key, int cipherMode)
  {SM2Engine.Mode mode = SM2Engine.Mode.C1C2C3;if (!this.getPaddingMode().equalsIgnoreCase(String.valueOf(DEFAULT_MODE))){mode = SM2Engine.Mode.C1C3C2;}SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine(mode);this.initSm2Engine(sm2Engine, key, cipherMode);try{return sm2Engine.processBlock(data, 0, data.length);}catch (Exception e){throw new EncryptionException("failed to do sm2 cipher.", e);}
  }private void initSm2Engine(SM2Engine sm2Engine, byte[] key, int cipherMode)
  {if (Cipher.ENCRYPT_MODE == cipherMode){ECPublicKey keyObj = (ECPublicKey)this.toPubKey(key);ECDomainParameters domainParam = this.getDomainParam(keyObj);ECKeyParameters keyParam = new ECPublicKeyParameters(keyObj.getQ(), domainParam);byte[] initKey = UUID.randomUUID().toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8);sm2Engine.init(true, new ParametersWithRandom(keyParam, this.createRandom(initKey)));}else{ECPrivateKey keyObj = (ECPrivateKey)this.toPriKey(key);ECDomainParameters domainParam = this.getDomainParam(keyObj);ECKeyParameters keyParam = new ECPrivateKeyParameters(keyObj.getD(), domainParam);sm2Engine.init(false, keyParam);}
  }  
  

  说明：

  1. 上面的代码阐述了加解密的核心流程：根据二进制生成秘钥，再基于单独的API计算得到加解密结果，该计算逻辑完全不同于以往的加解密API；
  2. 通过上述核心代码逻辑，再对比上篇5.非对称加密算法RSA实现，可知SM2本身是支持分段的；
  3. 通过秘钥二进制反向生成秘钥对象是一个有意思且有点复杂的事情，后面再单独说明；

1.2 SM2生成秘钥及转换实现

• 秘钥生成逻辑

  public KeyPair createKey(byte[] initKey)
  {try{ECGenParameterSpec paramSpec = new ECGenParameterSpec(SM2_VERSION);KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM, this.getProvider());if (null == initKey){initKey = UUID.randomUUID().toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8);}SecureRandom random = this.createRandom(initKey);keyGen.initialize(paramSpec, random);return keyGen.generateKeyPair();}catch (Exception e){throw new EncryptionException("failed to get sm2 key.", e);}
  }
  

• 公钥、私钥反向生成逻辑

  public PublicKey toPubKey(byte[] pubKey)
  {try{String hexKey = Hex.toHexString(pubKey);KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM, this.getProvider());if (hexKey.startsWith(STANDARD_HEX_KEY_PREFIX)){return kf.generatePublic(new X509EncodedKeySpec(pubKey));}else{// 获取SM2相关参数X9ECParameters ecParam = GMNamedCurves.getByName(SM2_VERSION);// 将公钥HEX字符串转换为椭圆曲线对应的点ECCurve ecCurve = ecParam.getCurve();ECPoint ecPoint = ecCurve.decodePoint(pubKey);// 椭圆曲线参数规格ECParameterSpec ecSpec = new ECParameterSpec(ecCurve, ecParam.getG(), ecParam.getN(), ecParam.getH());// 将椭圆曲线点转为公钥KEY对象return kf.generatePublic(new ECPublicKeySpec(ecPoint, ecSpec));}}catch (Exception e){throw new EncryptionException("failed to get sm2 pub key.", e);}
  }public PrivateKey toPriKey(byte[] priKey)
  {try{String hexKey = Hex.toHexString(priKey);KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM, this.getProvider());if (hexKey.startsWith(STANDARD_HEX_KEY_PREFIX)){PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(priKey);return kf.generatePrivate(keySpec);}else{// 获取SM2相关参数X9ECParameters ecParam = GMNamedCurves.getByName(SM2_VERSION);ECCurve ecCurve = ecParam.getCurve();// 椭圆曲线参数规格ECParameterSpec ecSpec = new ECParameterSpec(ecCurve, ecParam.getG(), ecParam.getN(), ecParam.getH());// 将私钥HEX字符串转换为16进制的数字值BigInteger bigInteger = new BigInteger(Hex.toHexString(priKey), EncryptionConst.HEX_UNIT);// 将X值转为私钥KEY对象return kf.generatePrivate(new ECPrivateKeySpec(bigInteger, ecSpec));}}catch (Exception e){throw new EncryptionException("failed to get sm2 pri key.", e);}
  }
  

  说明：SM2基于椭圆的原理来加解密，其秘钥生成和解析方式也与其它方式不同。

  1. SM2支持标准的秘钥生成方式：

  BaseSingleSignature sm2 = new Sm2Encryption();
  KeyPair keyPair = sm2.createKey(UUID.randomUUID().toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
  byte[] priKey0 = keyPair.getPrivate().getEncoded();
  byte[] pubKey0 = keyPair.getPublic().getEncoded();
  

  2. SM2支持非标准的秘钥生成方式：

  BaseSingleSignature sm2 = new Sm2Encryption();
  KeyPair keyPair = sm2.createKey(UUID.randomUUID().toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
  byte[] priKey1 = ((BCECPrivateKey)keyPair.getPrivate()).getD().toByteArray();
  byte[] pubKey1 = ((BCECPublicKey)keyPair.getPublic()).getQ().getEncoded(false);
  byte[] pubKey2 = ((BCECPublicKey)keyPair.getPublic()).getQ().getEncoded(true);
  

  3. 上述正文部分的秘钥转换逻辑可以无感兼容上述各种秘钥场景。有兴趣可以看看此算法的单元测试类。PS:网上资料通常只描述了其中一种秘钥生成场景，但是相互间是不兼容的。

• 签名和验签判定逻辑：

  public byte[] sign(byte[] data, byte[] key)
  {try{PrivateKey priKey = this.toPriKey(key);Signature signature = Signature.getInstance(this.getSignatureAlg(), this.getProvider());signature.initSign(priKey);signature.update(data);return signature.sign();}catch (Exception e){throw new EncryptionException("failed to signature.", e);}
  }public boolean verify(byte[] data, byte[] key, byte[] sign)
  {try{PublicKey pubKey = this.toPubKey(key);Signature signature = Signature.getInstance(this.getSignatureAlg(), this.getProvider());signature.initVerify(pubKey);signature.update(data);return signature.verify(sign);}catch (Exception e){throw new EncryptionException("failed to verify signature.", e);}
  }
  

• SM2加密批量验证逻辑

  @Test
  public void encrypt()
  {int[] encLengths = {256};super.encrypt(encLengths);
  }@Test
  public void testEncryptAndSign()
  {String initKey = UUID.randomUUID() + new String(RandomUtils.nextBytes(5000), StandardCharsets.UTF_8);int[] encLengths = {256};BaseSingleSignature encryption = new Sm2Encryption();for (int encLen : encLengths){encryption.setEncryptLen(encLen);KeyPair keyPair = encryption.createKey(initKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));super.testEncryptAndSign(encryption, keyPair.getPrivate().getEncoded(), keyPair.getPublic().getEncoded());}
  }  
  

  说明：

  1. SM2可以不用设置加密长度，因为默认只有一个，同理我们也无需关心其填充算法；
  2. 通过单元测试对比RSA算法可知，SM2由于秘钥非常短，其秘钥生成和加解密效率明显高于RSA；

2. 总结：

1. 基于BouncyCastle的SM2由于其算法独特性，与其它的算法实现差异加大，但是在实际使用时，由于其秘钥非常短，在核心的加解密执行效率上是有一定优势的；
2. SM2支持多种方式的秘钥生成，本开源组件较好地解决了秘钥不同方式生成的兼容问题；
3. SM2算法相对来说还比较新，在有些秘改(国密改造)场景时，还无法做到。因为大部分开源组件只支持标准协议，一般支持p256v1非对称加密，但是不支持sm2p256v1，国人仍需努力。