国密算法（SM2）java语言的实现：利用bcprov库来实现SM2算法，非对称算法

比眉伴天荒 2023-09-27 14:05 128阅读 0赞

### SM2算法简介 ###

随着密码技术和计算机技术的发展，目前常用的1024位RSA算法面临严重的安全威胁，我们国家密码管理部门经过研究，决定采用SM2椭圆曲线算法替换RSA算法。

*  SM2是非对称加密算法；
 *  SM2是基于椭圆曲线密码的公钥密码算法标准；
 *  SM2是国密算法，用于替换RSA/DH/ECDSA/ECDH等国际算法；
 *  SM2算法由国家密码管理局于2010年12月17日发布；
 *  SM2推荐了一条256位的曲线作为标准曲线；
 *  SM2算法在很多方面都优于RSA算法；
 *  SM2性能更优更安全：密码复杂度高、处理速度快、机器性能消耗更小；

### SM2标准： ###

SM2标准包括总则，数字签名算法，密钥交换协议，公钥加密算法四个部分。

*  SM2算法主要考虑素域Fp和F2m上的椭圆曲线，分别介绍了这两类域的表示，运算，以及域上的椭圆曲线的点的表示，运算和多倍点计算算法。然后介绍了编程语言中的数据转换，包括整数和字节串，字节串和比特串，域元素和比特串，域元素和整数，点和字节串之间的数据转换规则。详细说明了有限域上椭圆曲线的参数生成以及验证，椭圆曲线的参数包括有限域的选取、椭圆曲线方程参数、椭圆曲线群基点的选取等，并给出了选取的标准以便于验证。最后给椭圆曲线上密钥对的生成以及公钥的验证，用户的密钥对为（s，sP），其中s为用户的私钥，sP为用户的公钥，由于离散对数问题从sP难以得到s，并针对素域和二元扩域给出了密钥对生成细节和验证方式。总则中的知识也适用于SM9算法。
 *  在总则的基础上给出了数字签名算法（包括数字签名生成算法和验证算法），密钥交换协议以及公钥加密算法（包括加密算法和解密算法），并在每个部分给出了算法描述，算法流程和相关示例。
 *  数字签名算法、密钥交换协议以及公钥加密算法都使用了国家密管理局批准的SM3密码杂凑算法和随机数发生器。数字签名算法、密钥交换协议以及公钥加密算法根据总则来选取有限域和椭圆曲线，并生成密钥对。

### 使用bcprov库来实现SM2算法的封装： ###

用maven编译，pom.xml文件：

<dependency>
                <groupId>org.bouncycastle</groupId>
                <artifactId>bcprov-jdk15to18</artifactId>
                <version>1.64</version>
            </dependency>

SM2算法工具类Sm2CryptTools  
Sm2CryptTools.java:

package com.abc.smutilstest;
    
    
    import org.bouncycastle.crypto.engines.SM2Engine;
    import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
    
    import org.bouncycastle.util.encoders.Hex;
    
    import java.nio.charset.StandardCharsets;
    import java.security.*;
    import java.security.spec.ECGenParameterSpec;
    
    /**
     * SM2算法工具类
     */
    public class Sm2CryptTools {
        
        private final KeyPair mKeyPair;
        public Sm2CryptTools() throws Exception {
        
            mKeyPair = initKey();
        }
    
        /**
         * 创建密钥对
         * @return 密钥对KeyPair
         * @throws Exception
         */
        public KeyPair initKey()  throws Exception{
        
            try {
        
                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 = KeyPairGenerator.getInstance("EC", new BouncyCastleProvider());
                // 使用SM2参数初始化生成器
                kpg.initialize(sm2Spec);
                // 获取密钥对
                KeyPair keyPair = kpg.generateKeyPair();
                return keyPair;
            }catch (Exception e) {
        
                throw new Exception(e);
            }
        }
    
        /**
         * sm2加密算法
         * @param pubkey：公钥
         * @param plainData：要加密的字符串
         * @return：加密结果
         */
        public String encrypt(PublicKey pubkey,String plainData) {
        
            try {
        
                SM2Engine sm2Engine = MySm2Engine.createMySm2Engine(pubkey,null,MySm2Engine.Type_Encode);
                //encrypt data
                byte[] bytes = null;
                try {
        
                    byte[] in = plainData.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                    bytes = sm2Engine.processBlock(in,0, in.length);
                }
                catch (Exception e) {
        
                    System.out.println("SM2加密失败:");
                }
                return Hex.toHexString(bytes);
            }catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
            return null;
        }
    
        /**
         * sm2解密算法
         * @param priKey：私钥
         * @param cipherData：要解密的字符串
         * @return
         */
        public String decrypt(PrivateKey priKey,String cipherData) {
        
            try {
        
                //init engine
                SM2Engine sm2Engine = MySm2Engine.createMySm2Engine(null,priKey,MySm2Engine.Type_Decode);
    
                //decrypt data
                byte[] cipherDataByte = Hex.decode(cipherData);
                byte[] bytes = sm2Engine.processBlock(cipherDataByte, 0, cipherDataByte.length);
                return new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);
            }catch (Exception e) {
        
                System.out.println("SM2解密失败:");
            }
            return null;
        }
    
        /**
         * 测试函数
         */
        public static void Sm2Test() {
        
            String dataStr = "hello ,2023!";
            try {
        
                Sm2CryptTools sm2CryptTools= new Sm2CryptTools();
                KeyPair keyPair = sm2CryptTools.mKeyPair;
    
                System.out.println("原始明文：" + dataStr);
                String resData = sm2CryptTools.encrypt(keyPair.getPublic(),dataStr);
                System.out.println("SM2加密后密文：" + resData);
    
                String resData2 = sm2CryptTools.decrypt(keyPair.getPrivate(),resData);
                System.out.println("SM2解密后明文：" + resData2);
            } catch (Exception e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        /**
         * 主函数
         * @param args
         */
        public static void main(String[] args) {
        
            Sm2Test();
        }
    
    }

工具类中，调用了自定义的MySm2Engine类，  
MySm2Engine.java代码如下:

package com.abc.smutilstest;
    
    import org.bouncycastle.crypto.engines.SM2Engine;
    import org.bouncycastle.crypto.params.ECDomainParameters;
    import org.bouncycastle.crypto.params.ECPrivateKeyParameters;
    import org.bouncycastle.crypto.params.ECPublicKeyParameters;
    import org.bouncycastle.crypto.params.ParametersWithRandom;
    import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPrivateKey;
    import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.ec.BCECPublicKey;
    import org.bouncycastle.jce.spec.ECParameterSpec;
    
    import java.security.*;
    
    /**
     * SM2引擎类
     */
    public class MySm2Engine {
        
        public static final int Type_Encode = 0;
        public static final int Type_Decode = 1;
    
        /**
         * 创建一个SM2引擎
         * @param pubKey
         * @param priKey
         * @param enOrde
         * @return
         * @throws Exception
         */
         public static SM2Engine createMySm2Engine(PublicKey pubKey,PrivateKey priKey,int enOrde) throws Exception {
        
             if (enOrde == Type_Encode) {
        
                 ECPublicKeyParameters ecPublicKeyParameters = null;
                 if (pubKey instanceof BCECPublicKey) {
        
                     BCECPublicKey bcPubKey = (BCECPublicKey) pubKey;
                     ECParameterSpec ecParameterSpec = bcPubKey.getParameters();
                     ECDomainParameters ecDomainParameters = new ECDomainParameters(ecParameterSpec.getCurve(),
                             ecParameterSpec.getG(), ecParameterSpec.getN());
                     ecPublicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(bcPubKey.getQ(),ecDomainParameters);
                 }
                 SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine();
                 sm2Engine.init(true, new ParametersWithRandom(ecPublicKeyParameters, new SecureRandom()));
                 return sm2Engine;
             }else {
        
    
                 BCECPrivateKey bcecPrivateKey = (BCECPrivateKey) priKey;
                 ECParameterSpec ecParameterSpec = bcecPrivateKey.getParameters();
                 ECDomainParameters ecDomainParameters = new ECDomainParameters(ecParameterSpec.getCurve(),
                         ecParameterSpec.getG(), ecParameterSpec.getN());
                 ECPrivateKeyParameters ecPrivateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(bcecPrivateKey.getD(),
                         ecDomainParameters);
                 SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine();
                 sm2Engine.init(false, ecPrivateKeyParameters);
                 return sm2Engine;
             }
         }
    }

测试结果：  
运行Sm2CryptTools中的main函数，结果如下：

> 原始明文：hello ,2023!  
> SM2加密后密文：04311f2333787826663e3347ae00aaceb4c48babbbef89df0ba54be00115ea0a0953021f1a10c5f4d7fbc5c365724131fd505f5cb019f13b455c06a0832124042845c683c90d9ebc6174199131f7cf586853fa26c6bae7e07dde4acf7fb049e5b46403103184b93b410b29342d  
> SM2解密后明文：hello ,2023!

### 总结 ###

近几年，已经开始了加密算法国产替代，其中，SM2算法作为非对称算法，担任了重要的角色。很多具有密码资质的安全产品中，也都广泛运用了SM2算法。

国产安全，砥砺前行！