Python实现国家商用密码算法sm2/sm3/sm4/sm9(国密)

2010 年开始，我国国家密码管理局就已经开始陆续发布了一系列国产加密算法，这其中就包括 SM1、SM2、SM3 、SM4、SM7、SM9、ZUC（祖冲之加密算法）等，SM 代表商密，即商业密码，是指用于商业的、不涉及国家秘密的密码技术。SM1 和 SM7 的算法不公开，其余算法都已成为 ISO/IEC 国际标准。目前应用较多的是SM2、SM3和SM4算法，这三者用法不一。

区别

加密算法	定义	应用领域	特点	类似算法	是否公开
sm1	对称加密算法	芯片	分组长度、密钥长度均为128比特	DES、3DES	不公开
sm2	非对称加密算法	数据加密	ECC椭圆曲线密码机制256位，相比RSA处理速度快，消耗更少	RSA、RSA4096	公开
sm3	散列函数算法	完整性校验	哈希算法安全性及效率与SHA-256相当，压缩函数更复杂	SHA1、SHA-256、SHA-384、SHA-512	公开
sm4	对称加密算法	数据加密和局域网产品	分组长度、密钥长度均为128比特，计算轮数多	DES、AES	公开
sm7	对称加密算法	非接触式IC卡	分组长度、密钥长度均为128比特		不公开
sm9	标识加密算法（IBC）	端对端离线安全通讯	加密强度等同于3072位密钥的RSA加密算法		公开
ZUC	对称加密算法	移动通信、4G网络	流密码		公开

SM2

SM2算法和RSA算法都是公钥密码算法，SM2算法是一种更先进安全的算法，在我们国家商用密码体系中被用来替换RSA算法。
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。
密文数据顺序简介
SM2非对称加密的结果由C1,C2,C3三部分组成。其中C1是根据生成的随机数计算出的椭圆曲线点，C2是密文数据，C3是SM3的摘要值。最开始的国密标准的结果是按C1,C2,C3顺序存放的，新标准的是按C1,C3,C2顺序存放的，因此我们这边在做SM2加密时新增了密文数据顺序设置，用以兼容之前的SM2算法加密。

import base64
import binascii
from gmssl import sm2, func


def test_sm2():
    private_key = '00B9AB0B828FF68872F21A837FC303668428DEA11DCD1B24429D0C99E24EED83D5'
    public_key = 'B9C9A6E04E9C91F7BA880429273747D7EF5DDEB0BB2FF6317EB00BEF331A83081A6994B8993F3F5D6EADDDB81872266C87C018FB4162F5AF347B483E24620207'

    sm2_crypt = sm2.CryptSM2(
        public_key=public_key, private_key=private_key)
    data = b"111"
    enc_data = sm2_crypt.encrypt(data)
    #print("enc_data:%s" % enc_data)
    #print("enc_data_base64:%s" % base64.b64encode(bytes.fromhex(enc_data)))
    dec_data = sm2_crypt.decrypt(enc_data)
    print(b"dec_data:%s" % dec_data)
    assert data == dec_data

    print("-----------------test sign and verify---------------")
    random_hex_str = func.random_hex(sm2_crypt.para_len)
    sign = sm2_crypt.sign(data, random_hex_str)
    print('sign:%s' % sign)
    verify = sm2_crypt.verify(sign, data)
    print('verify:%s' % verify)
    assert verify

    
def test_sm2sm3():
     private_key = "3945208F7B2144B13F36E38AC6D39F95889393692860B51A42FB81EF4DF7C5B8"
     public_key = "09F9DF311E5421A150DD7D161E4BC5C672179FAD1833FC076BB08FF356F35020"\
                  "CCEA490CE26775A52DC6EA718CC1AA600AED05FBF35E084A6632F6072DA9AD13"
     random_hex_str = "59276E27D506861A16680F3AD9C02DCCEF3CC1FA3CDBE4CE6D54B80DEAC1BC21"

     sm2_crypt = sm2.CryptSM2(public_key=public_key, private_key=private_key)
     data = b"message digest"

     print("-----------------test SM2withSM3 sign and verify---------------")
     sign = sm2_crypt.sign_with_sm3(data, random_hex_str)
     print('sign: %s' % sign)
     verify = sm2_crypt.verify_with_sm3(sign, data)
     print('verify: %s' % verify)
     assert verify


if __name__ == '__main__':
    test_sm2()
    test_sm2sm3()

SM3

SM3国密杂凑在线工具。支持常规的字符SM3计算，亦支持文件SM3计算。文件无需上传至服务器，且不存在任何限制，在浏览器内即可完成SM3哈希值计算。编码类型（utf8/gbk等）只影响常规字符SM3计算。SM3国密相关技术细节请参考：《SM3密码杂凑算法》

from gmssl import sm3, func

if __name__ == '__main__':
    y = sm3.sm3_hash(func.bytes_to_list(b"abc"))
    print(y)

SM4

SM4.0（原名SMS4.0）是中华人民共和国政府采用的一种分组密码标准，由国家密码管理局于2012年3月21日发布。相关标准为“GM/T 0002-2012《SM4分组密码算法》（原SMS4分组密码算法）”。
在商用密码体系中，SM4主要用于数据加密，其算法公开，分组长度与密钥长度均为128bit，加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构，S盒为固定的8比特输入8比特输出。
SM4.0中的指令长度被提升到大于64K（即64×1024）的水平，这是SM 3.0规格（渲染指令长度允许大于512）的128倍。

from gmssl.sm4 import CryptSM4, SM4_ENCRYPT, SM4_DECRYPT

key = b'3l5butlj26hvv313'
value = b'111'
iv = b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00'
crypt_sm4 = CryptSM4()

crypt_sm4.set_key(key, SM4_ENCRYPT)
encrypt_value = crypt_sm4.crypt_ecb(value)
crypt_sm4.set_key(key, SM4_DECRYPT)
decrypt_value = crypt_sm4.crypt_ecb(encrypt_value)
assert value == decrypt_value

crypt_sm4.set_key(key, SM4_ENCRYPT)
encrypt_value = crypt_sm4.crypt_cbc(iv , value)
crypt_sm4.set_key(key, SM4_DECRYPT)
decrypt_value = crypt_sm4.crypt_cbc(iv , encrypt_value)
assert value == decrypt_value

SM9

from gmssl import sm9

if __name__ == '__main__':
    idA = 'a'
    idB = 'b'

    print ("-----------------test sign and verify---------------")
    
    master_public, master_secret = sm9.setup ('sign')

    Da = sm9.private_key_extract ('sign', master_public, master_secret, idA)
    
    message = 'abc'
    signature = sm9.sign (master_public, Da, message)

    assert (sm9.verify (master_public, idA, message, signature))

    print ("\t\t\t success")

    print ("-----------------test key agreement---------------")
    
    master_public, master_secret = sm9.setup ('keyagreement')

    Da = sm9.private_key_extract ('keyagreement', master_public, master_secret, idA)
    Db = sm9.private_key_extract ('keyagreement', master_public, master_secret, idB)

    xa, Ra = sm9.generate_ephemeral (master_public, idB)
    xb, Rb = sm9.generate_ephemeral (master_public, idA)

    ska = sm9.generate_session_key (idA, idB, Ra, Rb, Da, xa, master_public, 'A', 128)
    skb = sm9.generate_session_key (idA, idB, Ra, Rb, Db, xb, master_public, 'B', 128)

    assert (ska == skb)

    print ("\t\t\t success")
    
    print ("-----------------test encrypt and decrypt---------------")

    master_public, master_secret = sm9.setup ('encrypt')

    Da = sm9.private_key_extract ('encrypt', master_public, master_secret, idA)

    message = 'abc'
    ct = sm9.kem_dem_enc (master_public, idA, message, 32)
    pt = sm9.kem_dem_dec (master_public, idA, Da, ct, 32)

    assert (message == pt)

    print ("\t\t\t success")

参考

https://github.com/gongxian-ding/gmssl-python
https://github.com/duanhongyi/gmssl
https://www.lzltool.com/SM2