openssl+sm3开发实例

一、SM3 介绍

SM3 是中国国家密码管理局（State Cryptography Administration，SCA）发布的一种密码散列函数，属于SHA-3 候选算法，也是我国的商用密码算法标准之一。SM3 是一种密码学安全性较高的密码散列函数，广泛应用于数字签名、消息认证码（MAC）等安全领域。

以下是 SM3 密码散列函数的主要知识点：

• 1. 密码散列函数（Cryptographic Hash Function）
     SM3 是一种密码学安全性较高的密码散列函数，用于将任意长度的消息映射成固定长度的散列值（256 位）。它具有防碰撞（collision resistance）和前像抗性（pre-image resistance）等性质，能够抵抗碰撞攻击和查找原像攻击。
• 2. 数据结构和运算规则
     SM3 使用了Merkle-Damgard结构，将消息分成512位的分组进行处理。它采用了置换（Substitution）和混淆（Permutation）运算，包括置换运算、非线性变换运算、消息扩展运算等。
• 3. 消息填充
     SM3 使用了Bit Padding方式对消息进行填充，确保消息长度是512位的整数倍。
• 4. 初始向量和常量
     SM3 使用了初始向量（IV）和常量，这些值在算法中起到了重要的作用，确保了算法的随机性和安全性。
• 5. 算法安全性
     SM3 经过了广泛的密码学分析和测试，具有很高的安全性，适用于商用密码应用。它的安全性主要基于非线性置换运算和密集的非线性变换运算。
• 6. 应用领域：
     SM3 算法被广泛应用于数字签名、消息认证码（MAC）、随机数生成、密钥派生等安全领域。它是中国国内的商用密码算法，也是一些国际标准中的选项之一。
• 7. 国际标准：
     SM3 算法已经被ISO/IEC 中国国家标准（GB/T 32905-2016）采纳为国际标准，用于数字签名和验证。

二、SM3代码实例

2.1 SM3内容 hash

在 OpenSSL 中，你可以使用 EVP（Envelope）接口来进行 SM3 哈希计算。以下是一个简单的 OpenSSL SM3 哈希计算的示例代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void handleErrors(void)
{
    ERR_print_errors_fp(stderr);
    abort();
}

void sm3_hash(const unsigned char *input, size_t input_len, unsigned char *output)
{
    EVP_MD_CTX *mdctx;
    const EVP_MD *md;
    int md_len;

    md = EVP_sm3(); // 使用 SM3 算法
    mdctx = EVP_MD_CTX_new();
    if (mdctx == NULL)
        handleErrors();

    if (1 != EVP_DigestInit_ex(mdctx, md, NULL))
        handleErrors();

    if (1 != EVP_DigestUpdate(mdctx, input, input_len))
        handleErrors();

    if (1 != EVP_DigestFinal_ex(mdctx, output, &md_len))
        handleErrors();

    EVP_MD_CTX_free(mdctx);
}

int main(void)
{
    unsigned char data[] = "Hello, SM3!";
    unsigned char hash_value[EVP_MAX_MD_SIZE];
    int i;

    printf("Original Data: %s\n", data);

    sm3_hash(data, strlen((char *)data), hash_value);

    printf("SM3 Hash Value: ");
    for (i = 0; i < EVP_MD_size(EVP_sm3()); i++)
        printf("%02x", hash_value[i]);
    printf("\n");

    return 0;
}

• 代码编译

g++ -o main main.cpp -lssl -lcrypto

• 执行结果
  

在此代码中，我们使用了 OpenSSL 的 EVP 接口来计算 SM3 哈希值。函数 sm3_hash 接受输入数据和其长度，然后计算 SM3 哈希值并将结果存储在 output 中。在 main 函数中，我们提供了一个简单的字符串作为输入数据，计算它的 SM3 哈希值并将结果输出。请确保你的系统上已经正确安装了 OpenSSL 库。

2.2 SM3文件 hash

要使用 OpenSSL 计算文件的 SM3 哈希值，你可以使用以下的代码示例。这个示例会读取文件的内容并计算它的 SM3 哈希值：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void handleErrors(void)
{
    ERR_print_errors_fp(stderr);
    abort();
}

void sm3_file_hash(const char *file_path, unsigned char *output)
{
    FILE *file = fopen(file_path, "rb");
    if (file == NULL)
    {
        perror("Error opening file");
        handleErrors();
    }

    EVP_MD_CTX *mdctx;
    const EVP_MD *md;
    unsigned int md_len;
    unsigned char buffer[1024];

    md = EVP_sm3(); // 使用 SM3 算法
    mdctx = EVP_MD_CTX_new();
    if (mdctx == NULL)
        handleErrors();

    if (1 != EVP_DigestInit_ex(mdctx, md, NULL))
        handleErrors();

    size_t bytes;
    while ((bytes = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), file)) != 0)
    {
        if (1 != EVP_DigestUpdate(mdctx, buffer, bytes))
            handleErrors();
    }

    if (1 != EVP_DigestFinal_ex(mdctx, output, &md_len))
        handleErrors();

    fclose(file);
    EVP_MD_CTX_free(mdctx);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s \n", argv[0]);
        return 1;
    }

    const char *file_path = argv[1];
    unsigned char hash_value[EVP_MAX_MD_SIZE];
    int i;

    sm3_file_hash(file_path, hash_value);

    printf("SM3 Hash Value: ");
    for (i = 0; i < EVP_MD_size(EVP_sm3()); i++)
        printf("%02x", hash_value[i]);
    printf("\n");

    return 0;
}

在这个示例中，sm3_file_hash 函数接受文件路径作为输入，然后计算文件的 SM3 哈希值并将结果存储在 output 中。在 main 函数中，我们通过命令行参数传递文件路径，并计算文件的 SM3 哈希值。

请确保在编译时链接 OpenSSL 库。你可以使用以下命令进行编译：

g++ -o main main.cpp -lssl -lcrypto

• 运行结果
  

其中，sm3hash.c 是包含上述代码的源文件，-lssl 和 -lcrypto 用于链接 OpenSSL 库。编译后，你可以通过命令行运行可执行文件，指定要计算 SM3 哈希值的文件路径。

三、代码地址

https://gitcode.net/arv002/qt/-/tree/master/Openssl/hash/sm3

三、补充知识

1、Bit Padding

Bit Padding（比特填充）是一种在密码学中常用的数据填充方式，通常用于将不定长的数据（比如消息）扩展为固定长度的块，以便进行加密或哈希处理。在使用密码散列函数（如MD5、SHA-1、SHA-256、SM3等）处理不定长数据时，需要将数据填充至块的整数倍长度，而Bit Padding是其中一种填充方法。

Bit Padding 的具体步骤如下：

1. 在消息末尾加入一个比特"1"。例如，如果原始消息以0110 1101结尾，添加比特"1"后为0110 1101 1。

2. 在上一步骤的结果后面填充零（“0”），直到消息的总长度（包括填充位）满足块长度的要求。例如，如果块长度为512比特，而消息长度（包括填充位和"1"位）为510比特，那么还需填充2个零。

3. 在填充的零位之后，附加一个整数（以二进制形式表示）来表示原始消息的长度。通常，这个整数是原始消息的比特数，以64位（或128位，具体取决于算法）的形式表示。这一步骤确保了在处理时可以知道原始消息的实际长度。

举个例子，如果原始消息的长度为417比特，算法需要使用512比特的块进行处理，那么Bit Padding的步骤如下：

1. 原始消息末尾添加比特"1"：...111 0101 01 1。

2. 在上一步骤的结果后填充零，直到总长度为512比特：...111 0101 01 1000 0000。

3. 在填充的零位之后附加消息的长度，长度为417的二进制表示为1101 0001，所以填充后的消息为：...111 0101 01 1000 0000 0000 0000 1101 0001。

这样，填充后的消息长度满足块长度（512比特）的要求，并且算法在处理时可以知道原始消息的实际长度。填充的过程保证了消息在进行密码学操作时的标准化处理，确保了数据的完整性和安全性。