Java基于BC包的实现SM2签名验签方案，以及SM2签名中bc包冲突的部分解决方法
信创改造也有一段时间了，这里记录和总结一些关于SM2算法的知识点。
1. pom.xml
<dependency>
<groupId>org.bouncycastlegroupId>
<artifactId>bcprov-jdk15onartifactId>
<version>1.57version>
dependency>
或
<dependency>
<groupId>org.bouncycastlegroupId>
<artifactId>bcprov-jdk15onartifactId>
<version>1.70version>
dependency>
由于BC包版本多种多样，且实现SM2算法的过程和结果并不相同。因此在引入bc包时，需要考虑bc包版本的问题，否则将出现包冲突或ClassNotFound的问题。
这里特别强调，特别是进行SDK开发时，需询问接入方使用的JDK版本（是否为openjdk），需询问接入方项目中是否存在bc包，并根据实际情况调整bc包版本与项目打包方案
2. SM2算法在不同BC包下的不同结果
注意，不同开发语言甚至不同的bc包版本，“使用SM2算法进行非对称加密的结果内容的排序是有区别的”（C1C3C2或是C1C2C3）但由于目前使用为对称加密方案加密报文的情况不多见，因此这里暂不展示SM2加解密逻辑
注意，在不同开发语言甚至不同bc包版本，“实现的SM2签名验签算法的代码和结果是有区别的”这里主要展示bc1.57与bc1.60及以上版本的区别，其他版本的bc包签名方案可以参考
private static final String SM2_STD = "sm2p256v1";
//SM2算法使用的向量值，Java默认为1234567812345678，C#默认为null（和java的默认值效果相同），修改向量值将对算法结果存在影响
private static final String SM2_PID = "1234567812345678";
bc1.57版本的SM2签名验签方法
//签名
public static String sign(String content, String privateKey) {
//待签名内容转为字节数组
byte[] message = content.getBytes();
//获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName(SM2_STD);
//构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
BigInteger privateKeyD = new BigInteger(privateKey, 16);
ECPrivateKeyParameters privateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(privateKeyD,
domainParameters);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
//初始化签名实例,带上ID,国密的要求,ID默认值:1234567812345678
try {
sm2Signer.init(true, new ParametersWithID(
new ParametersWithRandom(privateKeyParameters, SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG")),
Strings.toByteArray(SM2_PID)));
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
//生成签名,签名分为两部分r和s,分别对应索引0和1的数组
BigInteger[] bigIntegers = sm2Signer.generateSignature(message);
byte[] rBytes = modifyRSFixedBytes(bigIntegers[0].toByteArray());
byte[] sBytes = modifyRSFixedBytes(bigIntegers[1].toByteArray());
byte[] signBytes = ByteUtils.concatenate(rBytes, sBytes);
return Hex.toHexString(signBytes);
}
//验签
public static boolean verify(String content, String publicKey, String sign) {
//待签名内容
byte[] message = content.getBytes();
byte[] signData = Hex.decode(sign);
// 获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName(SM2_STD);
// 构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
//提取公钥点
ECPoint pukPoint = sm2ECParameters.getCurve().decodePoint(Hex.decode(publicKey));
// 公钥前面的02或者03表示是压缩公钥，04表示未压缩公钥, 04的时候，可以去掉前面的04
ECPublicKeyParameters publicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(pukPoint,
domainParameters);
//获取签名
BigInteger R = null;
BigInteger S = null;
byte[] rBy = new byte[33];
System.arraycopy(signData, 0, rBy, 1, 32);
rBy[0] = 0x00;
byte[] sBy = new byte[33];
System.arraycopy(signData, 32, sBy, 1, 32);
sBy[0] = 0x00;
R = new BigInteger(rBy);
S = new BigInteger(sBy);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
ParametersWithID parametersWithID = new ParametersWithID(publicKeyParameters,
Strings.toByteArray(SM2_PID));
sm2Signer.init(false, parametersWithID);
//验证签名结果
boolean verify = sm2Signer.verifySignature(message, R, S);
return verify;
}
BC1.60+时，SM2签名验签方法
//签名
public static String sign4Der(String privateKey, String content) throws CryptoException {
//待签名内容转为字节数组
byte[] message = content.getBytes();
//获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
//构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
BigInteger privateKeyD = new BigInteger(privateKey, 16);
ECPrivateKeyParameters privateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(privateKeyD, domainParameters);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
//初始化签名实例,带上ID,国密的要求,ID默认值:1234567812345678
try {
sm2Signer.init(true, new ParametersWithID(new ParametersWithRandom(privateKeyParameters, SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG")), Strings.toByteArray("1234567812345678")));
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
sm2Signer.update(message, 0, message.length);
byte[] signBytes = sm2Signer.generateSignature();
String sign = Hex.toHexString(signBytes);
return sign;
}
//验签
public static boolean verify4Der(String content, String publicKey, String sign) {
//待签名内容
byte[] message = Hex.decode(content);
byte[] signData = Hex.decode(sign);
// 获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
// 构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(),
sm2ECParameters.getN());
//提取公钥点
ECPoint pukPoint = sm2ECParameters.getCurve().decodePoint(Hex.decode(publicKey));
// 公钥前面的02或者03表示是压缩公钥，04表示未压缩公钥, 04的时候，可以去掉前面的04
ECPublicKeyParameters publicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(pukPoint, domainParameters);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
ParametersWithID parametersWithID = new ParametersWithID(publicKeyParameters, Strings.toByteArray("1234567812345678"));
sm2Signer.init(false, parametersWithID);
sm2Signer.update(message, 0, message.length);
//验证签名结果
boolean verify = sm2Signer.verifySignature(signData);
return verify;
}
细心的朋友们就可以发现，针对不同版本的bc包，我实现的签名验签方法的名称是不一样的（sign和sign4Der，verify和verify4Der）
而，网上有许多SM2算法的帖子里经常有这句注释
//生成签名,签名分为两部分r和s,分别对应索引0和1的数组
但这句注释下方并没有相关的代码，经常让人看得莫名其妙。
其实低版本的bc包和高版本的bc包实现SM2的过程和结果并不相同，甚至类org.bouncycastle.crypto.signers中的方法都不兼容。如果你把bc1.57的签名验签代码，CV到bc1.60+的项目中，会发现sign和verify方法编译不会通过（反过来也是一样的），这也是出现ClassNotFound异常的主要原因。
这是因为SM2算法的签名结果的确是 “分为两部分r和s”两部分，在bc1.57中，签名结果是64字节的纯r+s的字节流拼接
BigInteger[] bigIntegers = sm2Signer.generateSignature(message);
byte[] rBytes = modifyRSFixedBytes(bigIntegers[0].toByteArray());
byte[] sBytes = modifyRSFixedBytes(bigIntegers[1].toByteArray());
byte[] signBytes = ByteUtils.concatenate(rBytes, sBytes);
而在bc1.60+的版本中，SM2的结果是r的der编码字节流与s的der编码字节流拼接的结果
即
sm2Signer.update(message, 0, message.length);
byte[] signBytes = sm2Signer.generateSignature();
因此，只要实现了64字节的纯R+S字节流与DER编码字节流相互转换的方法，那么就可以实现不同bc包之间签名方法的兼容了。
3. SM2Utils类
我在bc1.70的基础上，实现了一个SM2Utils类，该类包含了SM2加解密方法，实现了sign/sign4Der与verify/verify4Der的代码，并提供了64位纯字节流与DER编码字节流相互转化的方法
import java.io.IOException;
import java.math.BigInteger;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.util.HashMap;
import org.bouncycastle.asn1.*;
import org.bouncycastle.asn1.gm.GMNamedCurves;
import org.bouncycastle.asn1.x9.X9ECParameters;
import org.bouncycastle.crypto.AsymmetricCipherKeyPair;
import org.bouncycastle.crypto.CryptoException;
import org.bouncycastle.crypto.InvalidCipherTextException;
import org.bouncycastle.crypto.engines.SM2Engine;
import org.bouncycastle.crypto.generators.ECKeyPairGenerator;
import org.bouncycastle.crypto.params.ECDomainParameters;
import org.bouncycastle.crypto.params.ECKeyGenerationParameters;
import org.bouncycastle.crypto.params.ECPrivateKeyParameters;
import org.bouncycastle.crypto.params.ECPublicKeyParameters;
import org.bouncycastle.crypto.params.ParametersWithID;
import org.bouncycastle.crypto.params.ParametersWithRandom;
import org.bouncycastle.crypto.signers.SM2Signer;
import org.bouncycastle.math.ec.ECPoint;
import org.bouncycastle.pqc.math.linearalgebra.ByteUtils;
import org.bouncycastle.util.Strings;
import org.bouncycastle.util.encoders.Base64;
import org.bouncycastle.util.encoders.Hex;
public class SM2Utils {
private static final String SM2_STD = "sm2p256v1";
private static final String SM2_PID = "1234567812345678";
/**
* SM2加密算法
*
* @param publicKey 公钥
* @param data 数据
* @return
*/
public static String encrypt(String publicKey, String data) throws InvalidCipherTextException {
// 获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName(SM2_STD);
// 构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
//提取公钥点
ECPoint pukPoint = sm2ECParameters.getCurve()
.decodePoint(Hex.decode(publicKey));
// 公钥前面的02或者03表示是压缩公钥，04表示未压缩公钥, 04的时候，可以去掉前面的04
ECPublicKeyParameters publicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(pukPoint,
domainParameters);
SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine();
sm2Engine.init(true, new ParametersWithRandom(publicKeyParameters, new SecureRandom()));
byte[] arrayOfBytes = null;
byte[] cipherDataByte = Base64.encode(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
arrayOfBytes = sm2Engine.processBlock(cipherDataByte, 0, cipherDataByte.length);
return Hex.toHexString(arrayOfBytes);
}
/**
* SM2解密算法
*
* @param privateKey 私钥
* @param data 密文数据
* @return
*/
public static String decrypt(String privateKey, String data) throws InvalidCipherTextException {
//获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName(SM2_STD);
//构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
BigInteger privateKeyD = new BigInteger(privateKey, 16);
ECPrivateKeyParameters privateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(privateKeyD,
domainParameters);
SM2Engine sm2Engine = new SM2Engine();
sm2Engine.init(false, privateKeyParameters);
byte[] arrayOfBytes = null;
byte[] cipherDataByte = Hex.decode(data);
arrayOfBytes = sm2Engine.processBlock(cipherDataByte, 0, cipherDataByte.length);
return new String(Base64.decode(arrayOfBytes), StandardCharsets.UTF_8);
}
/**
* 私钥签名 1.64 模拟 1.57
* @param privateKey 私钥
* @param content 待签名内容
* @return
*/
public static String sign(String content, String privateKey) {
//待签名内容转为字节数组
byte[] message = content.getBytes();
//获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
//构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
BigInteger privateKeyD = new BigInteger(privateKey, 16);
ECPrivateKeyParameters privateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(privateKeyD, domainParameters);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
//初始化签名实例,带上ID,国密的要求,ID默认值:1234567812345678
try {
sm2Signer.init(true, new ParametersWithID(new ParametersWithRandom(privateKeyParameters, SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG")), Strings.toByteArray("1234567812345678")));
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
sm2Signer.update(message, 0, message.length);
//生成签名,签名分为两部分r和s,分别对应索引0和1的数组
byte[] signBytes = new byte[0];
try {
signBytes = sm2Signer.generateSignature();
} catch (CryptoException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
//start bc1.57版本中，signData是纯r+s字符串拼接，如果为了兼容低版本的bc包，则需要加这一句
byte[] signData = decodeDERSM2Sign(domainParameters, signBytes);
//end
String sign = Hex.toHexString(signData);
return sign;
}
/**
* 私钥签名 DER
* @param privateKey 私钥
* @param content 待签名内容
* @return
*/
public static String sign4Der(String privateKey, String content) throws CryptoException {
//待签名内容转为字节数组
byte[] message = content.getBytes();
//获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
//构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
BigInteger privateKeyD = new BigInteger(privateKey, 16);
ECPrivateKeyParameters privateKeyParameters = new ECPrivateKeyParameters(privateKeyD, domainParameters);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
//初始化签名实例,带上ID,国密的要求,ID默认值:1234567812345678
try {
sm2Signer.init(true, new ParametersWithID(new ParametersWithRandom(privateKeyParameters, SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG")), Strings.toByteArray("1234567812345678")));
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
sm2Signer.update(message, 0, message.length);
//生成签名,签名分为两部分r和s,分别对应索引0和1的数组
byte[] signBytes = sm2Signer.generateSignature();
String sign = Hex.toHexString(signBytes);
return sign;
}
/**
* 验证签名
* @param publicKey 公钥
* @param content 待签名内容
* @param sign 签名值
* @return
*/
public static boolean verify(String content, String publicKey, String sign) {
//待签名内容
byte[] message = Hex.decode(Hex.toHexString(content.getBytes()));
byte[] signData = Hex.decode(sign);
try {
signData = encodeSM2SignToDER(signData);
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
// 获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
// 构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(),
sm2ECParameters.getN());
//提取公钥点
ECPoint pukPoint = sm2ECParameters.getCurve().decodePoint(Hex.decode(publicKey));
// 公钥前面的02或者03表示是压缩公钥，04表示未压缩公钥, 04的时候，可以去掉前面的04
ECPublicKeyParameters publicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(pukPoint, domainParameters);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
ParametersWithID parametersWithID = new ParametersWithID(publicKeyParameters, Strings.toByteArray("1234567812345678"));
sm2Signer.init(false, parametersWithID);
sm2Signer.update(message, 0, message.length);
//验证签名结果
boolean verify = sm2Signer.verifySignature(signData);
return verify;
}
/**
* 验证签名
* @param publicKey 公钥
* @param content 待签名内容
* @param sign 签名值
* @return
*/
public static boolean verify4Der(String content, String publicKey, String sign) {
//待签名内容
byte[] message = Hex.decode(content);
byte[] signData = Hex.decode(sign);
// 获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
// 构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(),
sm2ECParameters.getN());
//提取公钥点
ECPoint pukPoint = sm2ECParameters.getCurve().decodePoint(Hex.decode(publicKey));
// 公钥前面的02或者03表示是压缩公钥，04表示未压缩公钥, 04的时候，可以去掉前面的04
ECPublicKeyParameters publicKeyParameters = new ECPublicKeyParameters(pukPoint, domainParameters);
//创建签名实例
SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer();
ParametersWithID parametersWithID = new ParametersWithID(publicKeyParameters, Strings.toByteArray("1234567812345678"));
sm2Signer.init(false, parametersWithID);
sm2Signer.update(message, 0, message.length);
//验证签名结果
boolean verify = sm2Signer.verifySignature(signData);
return verify;
}
/**
* 把64字节的纯R+S字节流转换成DER编码字节流
* @param rawSign
* @return
* @throws IOException
*/
public static byte[] encodeSM2SignToDER(byte[] rawSign) throws IOException {
//要保证大数是正数
BigInteger r = new BigInteger(1, extractBytes(rawSign, 0, 32));
BigInteger s = new BigInteger(1, extractBytes(rawSign, 32, 32));
ASN1EncodableVector v = new ASN1EncodableVector();
v.add(new ASN1Integer(r));
v.add(new ASN1Integer(s));
return new DERSequence(v).getEncoded(ASN1Encoding.DER);
}
private static byte[] extractBytes(byte[] src, int offset, int length) {
byte[] result = new byte[length];
System.arraycopy(src, offset, result, 0, result.length);
return result;
}
public static byte[] decodeDERSM2Sign(ECDomainParameters domainParams, byte[] derSign) {
ASN1Sequence as = DERSequence.getInstance(derSign);
byte[] rBytes = ((ASN1Integer) as.getObjectAt(0)).getValue().toByteArray();
byte[] sBytes = ((ASN1Integer) as.getObjectAt(1)).getValue().toByteArray();
//由于大数的补0规则，所以可能会出现33个字节的情况，要修正回32个字节
rBytes = fixToCurveLengthBytes(domainParams, rBytes);
sBytes = fixToCurveLengthBytes(domainParams, sBytes);
byte[] rawSign = new byte[rBytes.length + sBytes.length];
System.arraycopy(rBytes, 0, rawSign, 0, rBytes.length);
System.arraycopy(sBytes, 0, rawSign, rBytes.length, sBytes.length);
return rawSign;
}
private static byte[] fixToCurveLengthBytes(ECDomainParameters domainParams, byte[] src) {
int curveLen = getCurveLength(domainParams);
if (src.length == curveLen) {
return src;
}
byte[] result = new byte[curveLen];
if (src.length > curveLen) {
System.arraycopy(src, src.length - result.length, result, 0, result.length);
} else {
System.arraycopy(src, 0, result, result.length - src.length, src.length);
}
return result;
}
public static int getCurveLength(ECDomainParameters domainParams) {
return (domainParams.getCurve().getFieldSize() + 7) / 8;
}
/**
* 将R或者S修正为固定字节数
*
* @param rs
* @return
*/
private static byte[] modifyRSFixedBytes(byte[] rs) {
int length = rs.length;
int fixedLength = 32;
byte[] result = new byte[fixedLength];
if (length < 32) {
System.arraycopy(rs, 0, result, fixedLength - length, length);
} else {
System.arraycopy(rs, length - fixedLength, result, 0, fixedLength);
}
return result;
}
/**
* 生成SM2公私钥对
*
* @return
*/
public static AsymmetricCipherKeyPair generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
//获取一条SM2曲线参数
X9ECParameters sm2ECParameters = GMNamedCurves.getByName(SM2_STD);
//构造domain参数
ECDomainParameters domainParameters = new ECDomainParameters(sm2ECParameters.getCurve(),
sm2ECParameters.getG(), sm2ECParameters.getN());
//创建密钥生成器
ECKeyPairGenerator keyPairGenerator = new ECKeyPairGenerator();
//初始化生成器,带上随机数
keyPairGenerator.init(
new ECKeyGenerationParameters(domainParameters, SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG")));
//生成密钥对
AsymmetricCipherKeyPair asymmetricCipherKeyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
return asymmetricCipherKeyPair;
}
}
若使用的是bc1.57，也可以使用encodeSM2SignToDER与decodeDERSM2Sign方法对sign字符串进行转换，以实现兼容高版本bc包的目的
4.一些补充
在同一个项目需要引用不同的bc包，或出现bc包冲突时，非常不建议直接将冲突的包移除。也许冲突包移除后，当前业务联调顺利通过了，但你并不能保证之前的业务是否使用了被移除的bc包(不然你之前的bc包是为什么引进去的）。如果之前的业务使用了被移除的bc包，那么在执行该业务线时，很可能出现ClassNotFound的问题。
当然也可以使用maven-shade-plugin的打包方案，对bc包进行改名，以此实现同一个项目引入不同bc包的目的，但该方案仅适用于openjdk。由于oraclejdk会对bc包进行验签操作，使用改了名字的bc包是不会验签通过的，因此该方法需要在openjdk的环境中才能使用。（或者你改Security的配置也行，但是改生产的Security你需要自己承担风险）