國密算法SM2證書製作

前段時間將系統的RSA算法全部升級爲SM2國密算法，密碼機和UKey硬件設備大都同時支持RSA和SM2算法，只是應用系統的加解密簽名驗證需要修改，這個更改底層調用的加密動態庫來，原來RSA用的對稱加密算法DES（AES）和摘要MD5（SHA1）也相應改變，分別對應SM1、SM3算法，SM1算法基於硬件實現，SM2、SM3算法已公開。

SM2簽名驗證算法

SM2簽名同樣也是需要先摘要原文數據，即先使用SM3密碼雜湊算法計算出32byte摘要。SM3需要摘要簽名方ID（默認1234567812345678）、曲線參數a,b,Gx,Gy、共鑰座標(x,y)計算出Z值，然後再雜湊原文得出摘要數據。這個地方要注意曲線參數和座標點都是32byte，在轉換爲BigInteger大數計算轉成字節流時要去掉空補位，否則可能會出現摘要計算不正確的問題。SM2簽名實現如下：

SM2簽名

public static BigInteger[] Sm2Sign(byte[] md, AsymmetricCipherKeyPair keypair)

{

SM3Digest sm3 = new SM3Digest();

ECPublicKeyParameters ecpub = (ECPublicKeyParameters)keypair.Public;

byte[] z = SM2CryptoServiceProvider.Sm2GetZ(Encoding.Default.GetBytes(SM2CryptoServiceProvider.userId), ecpub.Q);

sm3.BlockUpdate(z, 0, z.Length);

byte[] p = md;

sm3.BlockUpdate(p, 0, p.Length);

byte[] hashData = new byte[32];

sm3.DoFinal(hashData, 0);

// e

BigInteger e = new BigInteger(1, hashData);

// k

BigInteger k = null;

ECPoint kp = null;

BigInteger r = null;

BigInteger s = null;

BigInteger userD = null;

{

ECPrivateKeyParameters ecpriv = (ECPrivateKeyParameters)keypair.Private;

k = ecpriv.D;

kp = ecpub.Q;

userD = ecpriv.D;

// r

r = e.Add(kp.X.ToBigInteger());

r = r.Mod(ecc_n);

}

while (r.Equals(BigInteger.Zero) || r.Add(k).Equals(ecc_n));

// (1 + dA)~-1

BigInteger da_1 = userD.Add(BigInteger.One);

da_1 = da_1.ModInverse(ecc_n);

// s

s = r.Multiply(userD);

s = k.Subtract(s).Mod(ecc_n);

s = da_1.Multiply(s).Mod(ecc_n);

}

while (s.Equals(BigInteger.Zero));

byte[] btRS = new byte[64];

byte[] btR = r.ToByteArray();

byte[] btS = s.ToByteArray();

Array.Copy(btR, btR.Length - 32, btRS, 0, 32);

Array.Copy(btS, btS.Length - 32, btRS, 32, 32);

return new BigInteger[] { r, s };

}

SM2算法是基於ECC算法的，簽名同樣返回2個大數，共64byte。由於原來RSA算法已很普遍支持，要實現RSA的簽名驗籤都有標準庫的實現，而SM2是國密算法在國際上還沒有標準通用，算法Oid標識在X509標準中是沒定義的。在.Net或Java中可以基於使用BouncyCastle加密庫實現，開源的也比較好學習擴展。SM2算法驗籤可以使用軟驗籤，即可以不需要使用硬件設備，同樣使用原始數據、簽名、證書(公鑰)來實現對簽名方驗證，保證數據完整性未被篡改。驗證過程同樣需先摘要原文數據，公鑰在證書中是以一個66byte的BitString，去掉前面標記位即64byte爲共鑰座標(x,y)，中間分割截取再以Hex方式轉成BigInteger大數計算，驗籤代碼如下：

SM2驗籤

public static bool Verify(byte[] msg, byte[] signData, byte[] certData)

{

X509Certificate2 x5092 = new X509Certificate2(certData);

byte[] certPK = x5092.GetPublicKey();

certPK = SubByte(certPK, 1, 64);

byte[] certPKX = SubByte(certPK, certPK.Length - 32 - 32, 32);

byte[] certPKY = SubByte(certPK, certPK.Length - 32, 32);

System.String strcertPKX = ByteToHexStr(certPKX);

System.String strcertPKY = ByteToHexStr(certPKY);

BigInteger biX = new BigInteger(strcertPKX, 16);

BigInteger biY = new BigInteger(strcertPKY, 16);

ECFieldElement x = new FpFieldElement(ecc_p, biX);

ECFieldElement y = new FpFieldElement(ecc_p, biY);

ECPoint userKey = new FpPoint(ecc_curve, x, y);

SM3Digest sm3 = new SM3Digest();

byte[] z = Sm2GetZ(Encoding.Default.GetBytes(userId), userKey);

sm3.BlockUpdate(z, 0, z.Length);

byte[] p = msg;

sm3.BlockUpdate(p, 0, p.Length);

byte[] md = new byte[32];

sm3.DoFinal(md, 0);

byte[] btR = SubByte(signData, 0, 32);

byte[] btS = SubByte(signData, 32, 32);

System.String strR = ByteToHexStr(btR);

System.String strS = ByteToHexStr(btS);

BigInteger r = new BigInteger(strR, 16);

BigInteger s = new BigInteger(strS, 16);

// e_

BigInteger e = new BigInteger(1, md);

// t

BigInteger t = r.Add(s).Mod(ecc_n);

if (t.Equals(BigInteger.Zero))

return false;

// x1y1

ECPoint x1y1 = ecc_point_g.Multiply(s);

x1y1 = x1y1.Add(userKey.Multiply(t));

// R

BigInteger R = e.Add(x1y1.X.ToBigInteger()).Mod(ecc_n);

return r.Equals(R);

}

製作SM2證書

基於BouncyCastle開源庫，可以輕鬆製作X509證書、CRL、pkcs10、pkcs12，支持國際通用的RSA、ECC算法。製作SM2證書可以通過擴展BouncyCastle庫來實現，需加入SM2簽名算法DerObjectIdentifier標識1.2.156.10197.1.501（基於SM3的SM2算法簽名），密鑰對的生成使用國密推薦曲線參數，然後如上所示自行實現SM2簽名驗證算法。X509證書由證書主體、證書籤名算法標識、簽名組成，和RSA證書主要不同的是SM2證書的簽名算法標識和簽名，及證書公鑰使用ECKeyParameters。生成自簽名SM2證書代碼如下：

SM2證書生成

public static Org.BouncyCastle.X509.X509Certificate MakeRootCert(string filePath, IDictionary subjectNames)

{

AsymmetricCipherKeyPair keypair = SM2CryptoServiceProvider.SM2KeyPairGenerator.GenerateKeyPair();

ECPublicKeyParameters pubKey = (ECPublicKeyParameters)keypair.Public; //CA公鑰

ECPrivateKeyParameters priKey = (ECPrivateKeyParameters)keypair.Private; //CA私鑰

X509Name issuerDN = new X509Name(GetDictionaryKeys(subjectNames), subjectNames);

X509Name subjectDN = issuerDN; //自簽證書，兩者一樣

SM2X509V3CertificateGenerator sm2CertGen = new SM2X509V3CertificateGenerator();

//X509V3CertificateGenerator sm2CertGen = new X509V3CertificateGenerator();

sm2CertGen.SetSerialNumber(new BigInteger(128, new Random())); //128位

sm2CertGen.SetIssuerDN(issuerDN);

sm2CertGen.SetNotBefore(DateTime.UtcNow.AddDays(-1));

sm2CertGen.SetNotAfter(DateTime.UtcNow.AddDays(365 * 10));

sm2CertGen.SetSubjectDN(subjectDN);

sm2CertGen.SetPublicKey(pubKey); //公鑰

sm2CertGen.SetSignatureAlgorithm("SM3WITHSM2");

sm2CertGen.AddExtension(X509Extensions.BasicConstraints, true, new BasicConstraints(true));

sm2CertGen.AddExtension(X509Extensions.SubjectKeyIdentifier, false, new SubjectKeyIdentifierStructure(pubKey));

sm2CertGen.AddExtension(X509Extensions.AuthorityKeyIdentifier, false, new AuthorityKeyIdentifierStructure(pubKey));

sm2CertGen.AddExtension(X509Extensions.KeyUsage, true, new KeyUsage(6));

Org.BouncyCastle.X509.X509Certificate sm2Cert = sm2CertGen.Generate(keypair);

sm2Cert.CheckValidity();

sm2Cert.Verify(pubKey);

return sm2Cert;

}

X509證書使用ASN1語法進行編碼，是用類型標識、長度和值序列來描述數據結構的。SM2證書在製作設置公鑰時，默認會帶ECKeyParameters參數，並沒有SM2的公鑰參數1.2.156.10197.1.301，因此需要自己寫個SM2橢圓曲線密碼算法標識對象，這樣在生成的證書中就可以看到公鑰參數字段，如下所示：

SM2證書公鑰標識

using System;

using Org.BouncyCastle.Asn1.X509;

using Org.BouncyCastle.Asn1;

namespace Common.Security

{

public class SM2AlgorithmIdentifier

: AlgorithmIdentifier

{

private readonly bool parametersDefined;

public SM2AlgorithmIdentifier(

DerObjectIdentifier objectID):base(objectID)

{

}

public SM2AlgorithmIdentifier(

DerObjectIdentifier objectID,

Asn1Encodable parameters)

: base(objectID, parameters)

{

this.parametersDefined = true;

}

/**

* Produce an object suitable for an Asn1OutputStream.

* * AlgorithmIdentifier ::= Sequence {

* algorithm OBJECT IDENTIFIER,

* parameters ANY DEFINED BY algorithm OPTIONAL }

public override Asn1Object ToAsn1Object()

{

DerObjectIdentifier sm2Identifier = new DerObjectIdentifier("1.2.156.10197.1.301");

Asn1EncodableVector v = new Asn1EncodableVector(base.ObjectID, sm2Identifier);

return new DerSequence(v);

}

SM2算法是國密局公佈的公鑰密碼算法，在相當強度下密鑰比RSA短，在使用智能卡有限空間存儲時非常可貴。目前國內很多CA大都升級支持SM2算法證書，相信以後會慢慢地推廣更多應用，也期望之後能與國際標準接軌。

附：

國密推薦256位曲線參數

p=FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF 00000000 FFFFFFFF FFFFFFFF
a=FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF 00000000 FFFFFFFF FFFFFFFC
b=28E9FA9E 9D9F5E34 4D5A9E4B CF6509A7 F39789F5 15AB8F92 DDBCBD41 4D940E93
n=FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF 7203DF6B 21C6052B 53BBF409 39D54123
Gx=32C4AE2C 1F198119 5F990446 6A39C994 8FE30BBF F2660BE1 715A4589 334C74C7
Gy=BC3736A2 F4F6779C 59BDCEE3 6B692153 D0A9877C C62A4740 02DF32E5 2139F0A0

SM2國密算法測試示例

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