openssl+SM2开发实例一（含源码）

一、SM2算法介绍

SM2（国密算法2） 是中国国家密码管理局（CNCA）颁布的椭圆曲线密码算法标准，属于非对称加密算法。它基于椭圆曲线离散对数问题，提供了安全可靠的数字签名、密钥交换和公钥加密等功能。SM2被设计为适用于各种场景下的密码学应用，包括数字证书、数据加密、数字签名、身份认证等。

以下是SM2算法的一些关键特点和概要介绍：

1. 非对称加密算法： SM2是一种非对称加密算法，意味着它使用两个密钥：公钥和私钥。公钥用于加密数据和验证签名，而私钥用于解密数据和生成签名。

2. 椭圆曲线密码学： SM2基于椭圆曲线密码学（Elliptic Curve Cryptography，ECC），使用椭圆曲线上的点运算来实现加密和签名操作。

3. 安全性： SM2采用了高强度的椭圆曲线参数，保障了算法的安全性。在适当的参数选择下，SM2被认为是安全可靠的。

4. 性能优越： 与传统的RSA算法相比，SM2在相同安全性水平下使用更短的密钥长度，提供了更高的性能。

5. 国家标准： SM2是中国国家密码算法标准，适用于中国国内的各种密码学应用，包括政府、金融、电信等领域。

6. 数字签名和密钥交换： SM2可以用于生成数字签名，验证签名的有效性，以及进行安全的密钥交换，用于建立安全的通信通道。

由于SM2是中国的国家密码标准，它在中国国内得到了广泛的应用。SM2不仅提供了高度的安全性，还具备较好的性能，适用于多种密码学场景。

二、SM2代码实例

2.1 SM2加密 / SM2解密

以下是一个简单的C++代码示例，演示了如何使用OpenSSL库进行SM2加密和解密。在这个示例中，我们将SM2加密和解密的功能拆分为两个函数：sm2_encrypt() 和 sm2_decrypt()。

请注意，使用此示例代码前，请确保你的系统已经安装了OpenSSL库，并且链接时正确引入了OpenSSL的库文件。该示例仅供学习和参考，实际应用中，你需要根据你的需求和安全性要求进行更严格的错误处理和参数验证。

#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/sm2.h>
#include <iostream>
#include <string>std::string sm2_encrypt(const std::string &plaintext, EVP_PKEY *pubkey) {EVP_PKEY_CTX *ctx;unsigned char *ciphertext = nullptr;size_t ciphertext_len;// 创建EVP_PKEY_CTXctx = EVP_PKEY_CTX_new(pubkey, nullptr);if (!ctx) {std::cerr << "Error creating EVP_PKEY_CTX for encryption" << std::endl;return "";}// 初始化加密操作if (EVP_PKEY_encrypt_init(ctx) <= 0) {std::cerr << "Error initializing encryption operation" << std::endl;EVP_PKEY_CTX_free(ctx);return "";}// 设置加密参数（这里可以设置一些参数，例如填充方式）// EVP_PKEY_CTX_set_rsa_padding(ctx, RSA_PKCS1_PADDING);// 计算加密后的长度if (EVP_PKEY_encrypt(ctx, nullptr, &ciphertext_len, reinterpret_cast<const unsigned char*>(plaintext.c_str()), plaintext.length()) <= 0) {std::cerr << "Error computing ciphertext length" << std::endl;EVP_PKEY_CTX_free(ctx);return "";}// 分配内存并执行加密操作ciphertext = new unsigned char[ciphertext_len];if (EVP_PKEY_encrypt(ctx, ciphertext, &ciphertext_len, reinterpret_cast<const unsigned char*>(plaintext.c_str()), plaintext.length()) <= 0) {std::cerr << "Error encrypting data" << std::endl;delete[] ciphertext;EVP_PKEY_CTX_free(ctx);return "";}// 释放资源EVP_PKEY_CTX_free(ctx);// 返回加密后的数据（Base64编码）std::string encoded_ciphertext(reinterpret_cast<char*>(ciphertext), ciphertext_len);delete[] ciphertext;return encoded_ciphertext;
}std::string sm2_decrypt(const std::string &ciphertext, EVP_PKEY *privkey) {EVP_PKEY_CTX *ctx;unsigned char *plaintext = nullptr;size_t plaintext_len;// 创建EVP_PKEY_CTXctx = EVP_PKEY_CTX_new(privkey, nullptr);if (!ctx) {std::cerr << "Error creating EVP_PKEY_CTX for decryption" << std::endl;return "";}// 初始化解密操作if (EVP_PKEY_decrypt_init(ctx) <= 0) {std::cerr << "Error initializing decryption operation" << std::endl;EVP_PKEY_CTX_free(ctx);return "";}// 计算解密后的长度if (EVP_PKEY_decrypt(ctx, nullptr, &plaintext_len, reinterpret_cast<const unsigned char*>(ciphertext.c_str()), ciphertext.length()) <= 0) {std::cerr << "Error computing plaintext length" << std::endl;EVP_PKEY_CTX_free(ctx);return "";}// 分配内存并执行解密操作plaintext = new unsigned char[plaintext_len];if (EVP_PKEY_decrypt(ctx, plaintext, &plaintext_len, reinterpret_cast<const unsigned char*>(ciphertext.c_str()), ciphertext.length()) <= 0) {std::cerr << "Error decrypting data" << std::endl;delete[] plaintext;EVP_PKEY_CTX_free(ctx);return "";}// 释放资源EVP_PKEY_CTX_free(ctx);// 返回解密后的数据std::string decrypted_plaintext(reinterpret_cast<char*>(plaintext), plaintext_len);delete[] plaintext;return decrypted_plaintext;
}int main() {EVP_PKEY *pubkey = nullptr;EVP_PKEY *privkey = nullptr;// 生成SM2密钥对if (!EVP_PKEY_keygen_SM2(&pubkey, &privkey)) {std::cerr << "Error generating SM2 key pair" << std::endl;return 1;}std::string plaintext = "Hello, SM2!";std::string ciphertext = sm2_encrypt(plaintext, pubkey);std::string decrypted_text = sm2_decrypt(ciphertext, privkey);std::cout << "Original Text: " << plaintext << std::endl;std::cout << "Encrypted Text: " << ciphertext <<std::endl;std::cout << "Decrypted Text: " << decrypted_text << std::endl;EVP_PKEY_free(pubkey);EVP_PKEY_free(privkey);return 0;
}

请确保在实际使用时对错误进行适当处理，并根据实际需求进行参数配置。此示例中，使用了OpenSSL提供的SM2密钥生成函数，加密和解密操作的结果以字符串形式输出。在实际应用中，你可能需要对加密后的数据进行Base64编码以方便传输。

2.2 SM2签名

2.2.1 SM2签名步骤

SM2签名的过程通常包括以下步骤：

1. 生成密钥对： 签名方首先需要生成自己的SM2公钥和私钥。公钥用于验证签名，私钥用于生成签名。

2. 计算消息的哈希值： 对待签名的消息进行哈希操作，通常使用SM3算法生成消息的摘要（哈希值）。

3. 生成随机数： 生成一个随机数（称为k），该随机数需要满足一定的条件，以保障签名的安全性。在SM2中，k的生成需要满足一定的随机性和不可预测性。

4. 计算椭圆曲线点： 使用随机数k计算椭圆曲线上的点（k * G，其中G是椭圆曲线的基点），得到一个椭圆曲线点（x1, y1）。

5. 计算r值： 将椭圆曲线点的横坐标x1对一个固定数取模，得到一个整数r。如果r等于0，则需要重新选择随机数k并重新计算。

6. 计算s值： 计算签名的另一个部分s，公式为：$$s=((hash+r\cdot d)/k)\mathrm{mod}n$$ 其中，hash是消息的哈希值，d是私钥，n是椭圆曲线的阶数。

7. 验证r和s： 将r和s作为签名的两个组成部分，并与消息一起发送给验证方。验证方使用签名者的公钥、消息的哈希值、r和s进行验证。验证的详细步骤包括使用公钥计算椭圆曲线点，验证r的范围和计算(s \cdot G + r \cdot PK)等。如果验证通过，则签名有效。

在SM2签名过程中，随机数k的选择和签名的正确性非常关键，不当的随机数选择可能导致签名的不安全性。因此，在实际应用中，随机数的生成需要特别注意，通常使用专门的随机数生成库或硬件随机数生成模块来确保随机性和不可预测性。

2.2.2 SM2签名C++开发实例

2.3 SM2密钥交换

2.3.1 SM2密钥交换步骤

是的，SM2算法可以用于密钥交换。在SM2中，密钥交换是通过Diffie-Hellman密钥交换协议的椭圆曲线密码学版本来实现的。SM2密钥交换的过程基于椭圆曲线离散对数问题，该问题在椭圆曲线密码学中是困难的，因此使得SM2密钥交换具备了很高的安全性。

SM2密钥交换的流程通常包括以下步骤：

1. 生成临时密钥对： 通信双方分别生成自己的临时私钥和对应的临时公钥。这两个临时密钥对仅在当前密钥交换会话中使用。

2. 计算共享秘密： 通信双方分别使用自己的临时私钥和对方的临时公钥，通过椭圆曲线上的点运算计算出一个共享的秘密值。

3. 生成共享密钥： 使用共享的秘密值作为密钥生成算法的输入，生成对称密钥，该密钥可以用于后续的加密和解密通信内容。

4. 销毁临时密钥： 在生成共享密钥之后，临时私钥和临时公钥可以被销毁，因为它们不再需要。

SM2密钥交换的安全性建立在椭圆曲线离散对数问题的困难性上，确保了在不共享密钥的情况下，通信双方可以协商出一个共享密钥，从而实现了安全的密钥交换。

三、openssl SM2 命令操作

3.1 openssl SM2 加密

3.2 openssl sm2 解密

3.3 openssl SM2 签名

3.3 openssl SM2 验签（签名校验）