国密SM9算法C++实现之七：加密解密算法
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国密SM9算法C++实现之七：加密解密算法
文章目录
- 国密SM9算法C++实现之七：加密解密算法
- @[toc]
- 加密算法流程
- 加密结果值
- Cipher.h
- 加密算法实现
- 解密算法流程
- 解密算法实现
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- 国密SM9算法C++实现之七：加密解密算法
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- 解密算法流程
- 解密算法实现
加密算法流程
SM9标准文档中描述的加密算法流程如下所示：
其流程图为：
根据算法描述，定义接口函数：
/**
* 加密
*
* @param masterPublicKey 加密主公钥
* @param id 用户ID
* @param data 待加密数据
* @param isBaseBlockCipher 指明加密明文的方法：true-分组密码;false-基于KDF的序列密码
* @param macKeyLen MAC函数的密钥字节长度，应不少于MAC函数中杂凑函数的杂凑值长度。此处可设置32字节
* @return 加密值
* @throw std::exception SM9_ERROR_NOT_INIT | SM9_ERROR_CALC_RATE
*/
static Cipher encrypt(const string& masterPublicKey, const string& id, const string& data, bool isBaseBlockCipher, int macKeyLen);
对于加密和解密算法中的明文加密方法，这里定义isBaseBlockCipher 参数来指示；同时，加解密算法中有两个长度，一个是用分组密码加密时的K1_len，因为使用的是SM4，所以是固定的16字节；另一个是K2_len，这个是MAC函数的密钥长度。按照MAC函数定义来说，这个长度是可以变的，但最好不小于MAC函数中的哈希函数的哈希值长度，这里因为使用的是SM3，所以默认是32字节。此处提供一个macKeyLen参数表示此K2_len长度，可以根据需要去掉该参数。
加密结果值
SM9加密结果内部包括C1、C2和C3三个部分，对此，也简单将其封装为一个类。这个封装是可取的，可以方便解密时的数据提取。
Cipher.h
#ifndef YY_SM9_CIPHER_INCLUDE_H__
#define YY_SM9_CIPHER_INCLUDE_H__
#pragma once
#include
using namespace std;
/**
* 加密值，封装了加密结果，包括C1、C2、C3.
* @author YaoYuan
*/
class Cipher {
public:
Cipher() {}
Cipher(const string& C1, const string& C2, const string& C3) {
mC1 = C1;
mC2 = C2;
mC3 = C3;
}
~Cipher() {}
public:
string getC1() const { return mC1; }
string getC2() const { return mC2; }
string getC3() const { return mC3; }
/**
* 加密数据结构构造函数.
* @param cipherData 加密数据，可由{@link #toByteArray()}获得
*/
static Cipher fromByteArray(const string& cipherData) {
string C1 = string(cipherData, 0, 64);
string C3 = string(cipherData, 64, 32);
string C2 = string(cipherData, 64 + 32, cipherData.length() - 96);
return Cipher(C1, C2, C3);
}
string toByteArray() {
return mC1 + mC3 + mC2;
}
private:
string mC1;
string mC2;
string mC3;
};
#endif
加密算法实现
按照加密流程，实现加密算法：
Cipher SM9::encrypt(const string& masterPublicKey, const string& id, const string& data, bool isBaseBlockCipher, int macKeyLen)
{
Cipher cipher;
bool hasException = true;
big h1 = NULL;
big r = NULL;
epoint *Ppube = NULL;
epoint *QB = NULL;
epoint *C1 = NULL;
ZZN12 g;
ZZN12 w;
string sC1, sC2, sC3, sW, bufferZ, sK, sK1, sK2, tmp, hashH1;
int klen = 0;
int k1len = 16; // key length for sm4
int k2len = macKeyLen;
#ifdef SELF_CHECK
string hashH1Hex, QBHex, rHex, C1Hex, C2Hex, C3Hex, gHex, wHex, K1Hex, K2Hex;
#endif
if( !mIsInit ) {
mErrorNum = SM9_ERROR_NOT_INIT;
throw exception(getErrorMsg().c_str());
}
Parameters::init_big(h1);
Parameters::init_epoint(Ppube);
Parameters::init_epoint(QB);
Parameters::init_epoint(C1);
Parameters::init_big(r);
hashH1 = KGC::H1(id, HID_ENCRYPT);
Parameters::cin_big(h1, hashH1.c_str(), hashH1.length());
Parameters::cin_epoint(Ppube, masterPublicKey.c_str());
#ifdef SELF_CHECK
hashH1Hex = YY::YHex::bin2Hex(hashH1);
#endif
// Step1 : QB=[H1(IDB||hid, N)]P1+Ppub-e
ecurve_mult(h1, Parameters::param_P1, QB);
ecurve_add(Ppube, QB);
#ifdef SELF_CHECK
QBHex = YY::YHex::bin2hex(Parameters::cout_epoint(QB));
#endif
while( true ) {
#ifdef SELF_CHECK
rHex = YY::YHex::hex2bin("AAC0541779C8FC45E3E2CB25C12B5D2576B2129AE8BB5EE2CBE5EC9E785C");
Parameters::cin_big(r, rHex.c_str(), rHex.length());
#else
// Step2: generate r
bigrand(Parameters::param_N, r);
#endif
// Step3 : C1=[r]QB
ecurve_mult(r, QB, C1);
sC1 = Parameters::cout_epoint(C1);
#ifdef SELF_CHECK
C1Hex = YY::YHex::bin2Hex(sC1);
#endif
// Step4 : g=e(Ppub-e, P2)
if( !ZZN12::calcRatePairing(g, Parameters::param_P2, Ppube, Parameters::param_t, Parameters::norm_X) ) {
mErrorNum = SM9_ERROR_CALC_RATE;
goto END;
}
#ifdef SELF_CHECK
gHex = YY::YHex::bin2Hex(g.toByteArray());
#endif
// Step5 : calculate w=g^r
w = g.pow(r);
sW = w.toByteArray();
#ifdef SELF_CHECK
wHex = YY::YHex::bin2Hex(sW);
#endif
// Step6_1 : K = KDF(C1 || w || IDB, klen)
if( isBaseBlockCipher ) {
klen = k1len + k2len;
} else {
klen = data.length() + k2len;
}
bufferZ.append(sC1);
bufferZ.append(sW);
bufferZ.append(id);
sK = KGC::KDF(bufferZ, klen);
sK1 = string(sK, 0, sK.length()-k2len);
sK2 = string(sK, sK1.length(), sK.length()-sK1.length());
#ifdef SELF_CHECK
K1Hex = YY::YHex::bin2Hex(sK1);
K2Hex = YY::YHex::bin2Hex(sK2);
#endif
if( !isAllZero(sK1) )
break;
}
// Step6_2
if( isBaseBlockCipher ) {
// C2=Enc(K1,M)
YY::YCipher sm4Cipher = YY::YCipher(YY::YCipher::SM4, YY::YCipher::ECB, YY::YCipher::PKCS5Padding);
sm4Cipher.init(YY::YCipher::ENCRYPT, sK1);
sC2 = sm4Cipher.update(data);
tmp = sm4Cipher.doFinal();
sC2.append(tmp);
} else {
// C2=M^K1
for( int i = 0; i < data.length(); i++ ) {
sC2.append(1, data[i] ^ sK1[i]);
}
}
// Step7 : C3=MAC(K2,C2)
sC3 = MAC(sK2, sC2);
#ifdef SELF_CHECK
C2Hex = YY::YHex::bin2Hex(sC2);
C3Hex = YY::YHex::bin2Hex(sC3);
#endif
// Step8 : C=C1|C3|C2
cipher = Cipher(sC1, sC2, sC3);
hasException = false;
END:
Parameters::release_big(h1);
Parameters::release_big(r);
Parameters::release_epoint(Ppube);
Parameters::release_epoint(QB);
Parameters::release_epoint(C1);
if( hasException ) {
throw exception(getErrorMsg().c_str());
}
return cipher;
}
解密算法流程
SM9标准文档中描述的解密算法流程如下所示：
其流程为：
根据算法描述，定义接口函数：
/**
* 解密
*
* @param cipher 加密值
* @param prikey 用户私钥
* @param id 用户ID
* @param isBaseBlockCipher 指明加密明文的方法：true-分组密码;false-基于KDF的序列密码
* @param macKeyLen MAC函数的密钥字节长度，应不少于MAC函数中杂凑函数的杂凑值长度。此处可设置32字节
* @return 原始数据
* @throw std::exception SM9_ERROR_NOT_INIT | SM9_ERROR_CALC_RATE |
* SM9_ERROR_DECRYPT_C1_NOT_ON_G1 | SM9_ERROR_DECRYPT_K1_IS_ZERO | SM9_ERROR_DECRYPT_C3_VERIFY_FAILED
*/
static string decrypt(const Cipher& cipher, const string& prikey, const string& id, bool isBaseBlockCipher, int macKeyLen);
这里的后两个参数在使用时应该和加密时保持一致。
解密算法实现
std::string SM9::decrypt(const Cipher& cipher, const string& prikey, const string& id, bool isBaseBlockCipher, int macKeyLen)
{
bool hasException = true;
string result, sC1, sC2, sC3, sK1, sK2, sK, sW, bufferZ, tmp, u, M;
epoint* C1 = NULL;
ecn2 de;
ZZN12 w;
YY::YSM3 sm3Digest;
int klen = 0;
int k1len = 16; // key length for sm4
int k2len = macKeyLen;
#ifdef SELF_CHECK
string wHex, K1Hex, K2Hex, uHex, MHex;
#endif
if( !mIsInit ) {
mErrorNum = SM9_ERROR_NOT_INIT;
throw exception(getErrorMsg().c_str());
}
sC1 = cipher.getC1();
sC2 = cipher.getC2();
sC3 = cipher.getC3();
Parameters::init_epoint(C1);
Parameters::init_ecn2(de);
// Step1 : check if C1 is on G1
Parameters::cin_epoint(C1, sC1.c_str());
if( !Parameters::isPointOnG1(C1) ) {
mErrorNum = SM9_ERROR_DECRYPT_C1_NOT_ON_G1;
goto END;
}
// Step2 : w=e(c,de)
Parameters::cin_ecn2_byte128(de, prikey.c_str());
if( !ZZN12::calcRatePairing(w, de, C1, Parameters::param_t, Parameters::norm_X) ) {
mErrorNum = SM9_ERROR_CALC_RATE;
goto END;
}
sW = w.toByteArray();
#ifdef SELF_CHECK
wHex = YY::YHex::bin2Hex(sW);
#endif
// Step3_1 : K = KDF(C1 || w || IDB, klen)
if( isBaseBlockCipher ) {
klen = k1len + k2len;
} else {
klen = sC2.length() + k2len;
}
bufferZ.append(sC1);
bufferZ.append(sW);
bufferZ.append(id);
sK = KGC::KDF(bufferZ, klen);
sK1 = string(sK, 0, sK.length() - k2len);
sK2 = string(sK, sK1.length(), sK.length() - sK1.length());
#ifdef SELF_CHECK
K1Hex = YY::YHex::bin2Hex(sK1);
K2Hex = YY::YHex::bin2Hex(sK2);
#endif
if( isAllZero(sK1) ) {
mErrorNum = SM9_ERROR_DECRYPT_K1_IS_ZERO;
goto END;
}
// Step3_2
if( isBaseBlockCipher ) {
// M=Dec(K1,C2)
YY::YCipher sm4Cipher = YY::YCipher(YY::YCipher::SM4, YY::YCipher::ECB, YY::YCipher::PKCS5Padding);
sm4Cipher.init(YY::YCipher::DECRYPT, sK1);
M = sm4Cipher.update(sC2);
tmp = sm4Cipher.doFinal();
M.append(tmp);
} else {
// M=C2^K1
for( int i = 0; i < sC2.length(); i++ ) {
M.append(1, sC2[i] ^ sK1[i]);
}
}
// Step4 : u=MAC(K2,C2)
u = MAC(sK2, sC2);
if( u.compare(sC3) != 0 ) {
mErrorNum = SM9_ERROR_DECRYPT_C3_VERIFY_FAILED;
goto END;
}
#ifdef SELF_CHECK
MHex = YY::YHex::bin2Hex(M);
uHex = YY::YHex::bin2Hex(u);
#endif
// Step5
result = M;
hasException = false;
END:
Parameters::release_epoint(C1);
Parameters::release_ecn2(de);
if( hasException ) {
throw exception(getErrorMsg().c_str());
}
return result;
}