网上有很多网友问国密算法sm2怎么使用?什么是压缩公钥和非压缩公钥,长度有多长?xB和yB这参数是什么?怎么使用sm2做加解密?如何签名和验签?有没有工具来验证下?完全搞懂椭圆曲线算法可能需要点儿时间和数学功底,但是使用起来不应该有难度。
这里分享个自己使用QT造的一个小工具,简单好用。用来对国密sm2算法做个加解密和签名,验签。
加密,解密验证:
其中xB为公钥,如果是压缩公钥,这里填33字节的16进制的压缩公钥,yB不用填,会自动计算得到。如果是非压缩公钥,则xB和yB都需要输入,分别填非压缩公钥的前32字节和后32字节。
其实说白点儿,xB和yB合起来才是一串完整的非压缩公钥,只是把公钥分成了两段罢了。
况且,如果是压缩公钥,只需要32字节的xB就够了。哦不,前面的02或03可不能少,要不没法求得yB这后半段公钥。至于为啥公钥要搞成x,y两段,是因为公钥是椭圆曲线上的一个点,一个点包含(x,y)两个分量,这才确定了一个坐标。
为啥给定了x就能求得y,给定y能否求得x呢?当然了,根据椭圆曲线方程:y^2=x^3+ax+b,
a,b都是常数是已知的,给了x就能得到y,给定y就能得到x。有时候压缩公钥别人会给02开头的,有时候会给03开头的。看到这个公式知道了吧,02开头的相当于给你了x,03开头的相当于给你了y.
不压缩的公钥相当于直接给你了(x,y)一个完整坐标。
再说下那个随机数,它是固定长度的32个字节。这随机数也是为了安全。在加密时有用,解密时用不到。这个工具中,加密时之所以随时数为非必填,代码里给你指定了固定的一个值。当然,你可以输入和改变这个随机数。而且,随时数不同,加密后的内容是不同的。但是,解密时,只要私钥pB正确,都能正确的解密出明文,这厉害吧。
日志窗口中可以看到详细的加密,解密日志。
签名验证:
其中,xB位置输入sm2的压缩公钥,长度为33字节。最前面的02或03代表压缩的参数。明文处输入消息内容,签名的输入框输入待验证的签名信息(签名信息是定长,为64个字节)。点击验签按钮。最后看到日志窗口提示 verify success则是验签成功。
签名和验签的算法过程:
签名过程:
以签名者A为例,计算 ZA=H256(ENTLA ∥ IDA ∥ a ∥ b ∥ xG ∥ yG ∥ xA ∥ yA),其中ENTLA是IDA的比特长度转换而成的两个字节;
M' = ZA || M,其中M为待签名消息;
e = H256(M');
用随机数发生器产生随机数k ∈[1,n-1];
计算椭圆曲线点(x1,y1)=[k]G;
计算r=(e + x1) mod n,若r=0或r+k=n则返回step 4;
计算s = ((k − r * dA) / (1 + dA)) mod n,若s=0则返回step 4;
输出签名(r,s);
验签过程:
ZA=H256(ENTLA ∥ IDA ∥ a ∥ b ∥ xG ∥ yG ∥ xA ∥ yA)
M′ =ZA ∥ M;
e = H256(M');
计算t = (r ′ + s ′ ) mod n, 若t = 0,则验证不通过;
计算椭圆曲线点(x1 , y1 ) = [s']G + [t]PA;
计算R = (e + x1 ) mod n,检验R = r是否成立,若成立则验证通过;否则验证不通过;
后续打算用详细代码来展示这一过程。
上述过程中的那么多字母,如果不明白含义容易看晕。
ENTLA ∥ IDA ∥ a ∥ b ∥ xG ∥ yG ∥ xA ∥ yA拿这串来举例:
ENTLA是长度,占两字节,它可能是个变长。
IDA是,用户ID数据。国密sm2使用的是固定的值"1234567812345678"。
a,b,xG和yG是椭圆曲线算法选定的椭圆曲线参数。后面有说明。这几个都是个固定值。
xA和yA这个就是公钥的前后两段。
代码展示ZA=H256(ENTLA ∥ IDA ∥ a ∥ b ∥ xG ∥ yG ∥ xA ∥ yA)这个过程:
userid_bitlen = userid_len << 3;
buf[0] = (userid_bitlen >> 8) & 0xFF;
buf[1] = userid_bitlen & 0xFF;
// ENTLA|| IDA|| a|| b|| Gx || Gy || xA|| yA
memcpy(buf+2, userid, userid_len);
memcpy(buf+2+userid_len, sm2_par_dig, 128);
memset(buf+2+userid_len+128, 0, 64);
memcpy(buf+2+userid_len+128+32-xa_len, xa, 32);
memcpy(buf+2+userid_len+128+32+32-ya_len, ya, 32);
sm3(buf, 2+userid_len+128+32+32, e);
密钥对的生成:
选取合适的椭圆曲线参数{p,a,b,Gx,Gy,n};
用随机数发生器产生整数d ∈ [1,n−2];
计算点P = (xP,yP) = [d]G;
如果P是无穷远点O,goto step 2;
输出密钥对(d,P),其中d为私钥,P为公钥。
代码过程:
......
cinstr(p,cfig->p);
cinstr(a,cfig->a);
cinstr(b,cfig->b);
cinstr(n,cfig->n);
cinstr(x,cfig->x);
cinstr(y,cfig->y);
ecurve_init(a,b,p,MR_PROJECTIVE);
g = epoint_init();
epoint_set(x,y,0,g);
irand(time(NULL));
bigrand(n,key1); 私钥db
ecurve_mult(key1,g,g); //计算Pb
epoint_get(g,x,y);
*wxlen = big_to_bytes(32, x, (char *)wx, TRUE);
*wylen = big_to_bytes(32, y, (char *)wy, TRUE);
*privkeylen = big_to_bytes(32, key1, (char *)privkey, TRUE);
......
p,a,b,Gx,Gy,n为椭圆曲线参数,国密sm2使用的是以下的值的参数。
p是一个大的质数。a,b是方程中的两个常量。Gx,Gy为基点的x,y坐标。n 是基点G的可倍积阶数。
给定n和P,我们运算Q=nP至少需要一个多项式时间。但是如果反过来呢?如果我们知道Q和P,要反过来得到n呢?该问题被认为是对数问题。感兴趣的可以查下什么是对数问题。
查阅《GMT 0003-2012》这份标准文档,有SM2算法的设计背景知识供解读。
使用素数域256位椭圆曲线
曲线方程:y^2=x^3+ax+b
曲线参数
p = FFFFFFFEFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00000000FFFFFFFFFFFFFFFF
a = FFFFFFFEFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00000000FFFFFFFFFFFFFFFC
b = 28E9FA9E9D9F5E344D5A9E4BCF6509A7F39789F515AB8F92DDBCBD414D940E93
n = FFFFFFFEFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF7203DF6B21C6052B53BBF409 39D54123
Gx = 32C4AE2C1F1981195F9904466A39C9948FE30BBFF2660BE1715A4589 334C74C7
Gy = BC3736A2F4F6779C59BDCEE36B692153D0A9877CC62A474002DF32E52139F0A0
需要进一步的了解椭圆曲线算法,可先了解下ECC模型。
ECC模型
ECC椭圆曲线由很多点组成,这些点由特定的方程式组成的,比如方程式可以是y^2 = x^3 + ax + b,这些点连接起来就是一条曲线,但曲线并不是一个椭圆。
椭圆曲线有个特点,任意两个点能够得到这条椭圆曲线上的另外一点,这个操作称为打点,经过多次(比如d次)打点后,能够生成一个最终点(F)。
在上面的图中,A点称为基点(G)或者生成器。A可以和自己打点从而生成B点,在实际应用的时候,一般有基点就可以了。经过多次打点,就得到了最终点G。
ECC密码学的关键点就在于就算知道具体方程式、基点(G)、最终点(F),也无法知晓一共打点了多少次(d)。
ECC中,打点次数(d)就是私钥,这通常是一个随机数,公钥就是最终点(F),包含(x,y)两个分量,通常组合成一个数字来传输和存储。
ECC由方程式(比如a、b这样的方程式参数)、基点(G)、质数(P)组成。理论上方程式和各种参数组合可以是任意的,但是在密码学中,为了安全,系统预先定义了一系列的曲线,称为命名曲线(name curve),比如secp256k1就是一个命名曲线。对于开发者而言,在使用ECC密码学的时候,就是选择具体的命名曲线。
SM2算法是ECC算法的一种,相当于是设计了一条ECC命名曲线。
为什么要大力推广国密算法,当然是因为安全了。以下这段摘自网上:
摘自:https://www.cnblogs.com/gzhlt/p/10270913.html
椭圆曲线算法安全性,现状,运用
目前椭圆曲线应用的范围越来越广,在BTC,ETH,EOS,莱特币,DASH等都有使用。密码学中把正向计算是很容易的,但若要有效的执行反向则很困难的算法叫做陷门函数。在RSA的章节中已经介绍过,RSA会随着因式分解的数字变大而变得越有效率,对于私钥增长的需求决定了RSA并不能算作一个完美的陷门函数。事实证明在椭圆曲线中如果你有两个点,一个最初的点乘以K次到达最终点,在你只知道最终点时找到n和最初点是很难的,这就是一个非常棒的trapdoor函数的基础,最近三十年的研究,数学家还没有找到一个方法证实。密码学家Lenstra引进了“全球安全(Global Security)”的概念:假设破解一个228字节的RSA秘钥需要的能量少于煮沸一勺水的能量。那么破解一个228字节的椭圆曲线秘钥需要煮沸地球上所有水的能量。如果RSA要达到一个同样的安全水平,你需要一个2,380字节的秘钥。