使用 openssl 进行椭圆曲线加解密(SM2)

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在之前一篇博客 ECC(Elliptic Curves Cryptography) 椭圆曲线加密原理 简单地阐述了 ECC 加解密的原理。这本篇博客中接着来聊一聊如何使用 OPENSSL 来进行 ECC 加解密。

首先需要明确一点的是：ECC 本身并没有定义一套加解密的方法，它主要作用于密钥交换(ECDHE),与签名认证(ECDSA). 不过后来中国工程师设计定义了一套加密方法，并于近年得到了世界的认可，这就是中国商用(国家标准) SM2 椭圆曲线公钥密码算法 。

一. 基本概念

其实在 openssl 中，椭圆曲线分两种形式，一种是之前讲到的质数域上的椭圆曲线 ，将其称为 FpF_p 其方程为：

y2 mod   p=x3+ax+b mod   py^2 \ \mod \ p = x^3 + ax + b \ \mod \ p

另一种是二进制域,称为 F2mF_{2^m}, 其方程为：

y2+xy=x3+ax2+b, (b!=0)y^2 + xy = x^3 + ax^2 + b ,\ (b != 0)

在这里只讨论 FpF_p 相关的内容。

椭圆曲线上的点

椭圆曲线上的点使用 EC_POINT 来表示， 它定义在 ec_locl.h :

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struct ec_point_st {
    // ...
    BIGNUM *X;
    BIGNUM *Y;
    BIGNUM *Z;
    // ...
};

EC_POINT 的操作定义在 ec.h 中,有以下操作：

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//r = a + b
int EC_POINT_add(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const EC_POINT *a, const EC_POINT *b, BN_CTX *ctx);
//r = 2a
int EC_POINT_dbl(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const EC_POINT *a, BN_CTX *ctx);
//a = 1/a
int EC_POINT_invert(const EC_GROUP *group, EC_POINT *a, BN_CTX *ctx);
//判断 a 是否在无穷远
int EC_POINT_is_at_infinity(const EC_GROUP *group, const EC_POINT *p);
//判断 a 是否在 group 的曲线上
int EC_POINT_is_on_curve(const EC_GROUP *group, const EC_POINT *point, BN_CTX *ctx);
// compare a,b
int EC_POINT_cmp(const EC_GROUP *group, const EC_POINT *a, const EC_POINT *b, BN_CTX *ctx);
int EC_POINT_make_affine(const EC_GROUP *group, EC_POINT *point, BN_CTX *ctx);
int EC_POINTs_make_affine(const EC_GROUP *group, size_t num, EC_POINT *points[], BN_CTX *ctx);
// r = group的基点 * n + q * m 。如果 n = NULL， 则r = q * m
int EC_POINT_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *n, const EC_POINT *q, const BIGNUM *m, BN_CTX *ctx);
// r = 基点 * n = q[0] * m[*] + ... + q[num-1] * m[num -1]
int EC_POINTs_mul(const EC_GROUP *group, EC_POINT *r, const BIGNUM *n, size_t num, const EC_POINT *p[], const BIGNUM *m[], BN_CTX *ctx);
int EC_GROUP_precompute_mult(EC_GROUP *group, BN_CTX *ctx);
int EC_GROUP_have_precompute_mult(const EC_GROUP *group);

椭圆曲线参数

由曲线方程可知，要确定一条曲线，需要知道三个参数 a, b, p。在 openssl 中用结构体 EC_GROUP 来表示。其结构定义在 ec_locl.h 中：

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struct ec_group_st {
    // ...
    EC_POINT *generator;
    BIGNUM *field;
    BIGNUM *order, *cofactor;
    BIGNUM *a, *b;
    // ...
};

  • generator 基点 G

  • field 质数 p

  • a, b 常量参数

一般来说，除非有特殊的需求会让你自定义一条曲线，否则直接使用 OPENSSL 内置的曲线，这些曲线是经过密码学专家或组织精心设计的：

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EC_GROUP *EC_GROUP_new_by_curve_name(int nid);

openssl 内置的曲线非常之多，可以使用 EC_get_builtin_curves来获取：

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void print_all_build_cures(){
    int len = EC_get_builtin_curves(0,0);
    EC_builtin_curve* curves = (EC_builtin_curve*)malloc(sizeof(EC_builtin_curve) * len);

    len = EC_get_builtin_curves(curves, len);

    for(int i = 0; i<len; ++i){
        std::cout<<curves[i].nid<<"\t"<<curves[i].comment<<std::endl;
    }

    free(curves);
}

这些曲线被定义在 ec_curve.c 中，如 NID_sm2 (也叫做 NID_sm2p256v1) 的定义如下：

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static const struct {
    EC_CURVE_DATA h;
    unsigned char data[0 + 32 * 6];
} _EC_sm2p256v1 = {
    {
       NID_X9_62_prime_field, 0, 32, 1
    },
    {
        /* no seed */

        /* p */
        0xff, 0xff, 0xff, 0xfe, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
        0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
        0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
        /* a */
        0xff, 0xff, 0xff, 0xfe, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
        0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
        0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfc,
        /* b */
        0x28, 0xe9, 0xfa, 0x9e, 0x9d, 0x9f, 0x5e, 0x34, 0x4d, 0x5a, 0x9e, 0x4b,
        0xcf, 0x65, 0x09, 0xa7, 0xf3, 0x97, 0x89, 0xf5, 0x15, 0xab, 0x8f, 0x92,
        0xdd, 0xbc, 0xbd, 0x41, 0x4d, 0x94, 0x0e, 0x93,
        /* x */
        0x32, 0xc4, 0xae, 0x2c, 0x1f, 0x19, 0x81, 0x19, 0x5f, 0x99, 0x04, 0x46,
        0x6a, 0x39, 0xc9, 0x94, 0x8f, 0xe3, 0x0b, 0xbf, 0xf2, 0x66, 0x0b, 0xe1,
        0x71, 0x5a, 0x45, 0x89, 0x33, 0x4c, 0x74, 0xc7,
        /* y */
        0xbc, 0x37, 0x36, 0xa2, 0xf4, 0xf6, 0x77, 0x9c, 0x59, 0xbd, 0xce, 0xe3,
        0x6b, 0x69, 0x21, 0x53, 0xd0, 0xa9, 0x87, 0x7c, 0xc6, 0x2a, 0x47, 0x40,
        0x02, 0xdf, 0x32, 0xe5, 0x21, 0x39, 0xf0, 0xa0,
        /* order */
        0xff, 0xff, 0xff, 0xfe, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
        0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x72, 0x03, 0xdf, 0x6b, 0x21, 0xc6, 0x05, 0x2b,
        0x53, 0xbb, 0xf4, 0x09, 0x39, 0xd5, 0x41, 0x23,
    }
};

二. 加解密

由 ECC 原理我们知道，椭圆曲线利用的是 在有限域上的椭圆曲线，已知曲线上的一个点 xG, 无法有效地求得 x 这样一个离散对数问题。 xG 可以做为公钥， x 做为私钥。

生成密钥对

API EC_KEY_generate_key(EC_KEY) 用于生成密钥对。 EC_KEY 的结构如下：

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struct ec_key_st {
    // ...
    EC_GROUP *group;
    EC_POINT *pub_key;
    BIGNUM *priv_key;
    // ...
};

包含一条曲线和一对密钥。当只有 pub_key 时，EC_KEY 做为公钥，当只有 priv_key 时，EC_KEY 做为私钥。

生成一对密钥的示例代码如下：

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EC_KEY* key = EC_KEY_new();
EC_GROUP* group = EC_GROUP_new_by_curve_name(NID_X9_62_prime192v1);
assert(group);
int rst = EC_KEY_set_group(key, group);
assert(rst == 1);
rst == EC_KEY_generate_key(key);
assert(rst);
const EC_POINT* pub_key = EC_KEY_get0_public_key(key);
const BIGNUM *pri_key = EC_KEY_get0_private_key(key);

SM2 加解密

SM2 的 API 定义在 sm2.h 中。加解密用到的有：

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int sm2_encrypt(const EC_KEY *key, const EVP_MD *digest, const uint8_t *msg,size_t msg_len, uint8_t *ciphertext_buf, size_t *ciphertext_len);
int sm2_decrypt(const EC_KEY *key, const EVP_MD *digest, const uint8_t *ciphertext, size_t ciphertext_len, uint8_t *ptext_buf, size_t *ptext_len);

加密用到的是公钥， 解密用到的是私钥。

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#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/sm2.h>
#include <openssl/sm3.h>

const char *plain_text = "The EVP interface supports the ability to perform authenticated encryption and decryption, as well as the option to attach unencrypted,"
                         " associated data to the message. Such Authenticated-Encryption with Associated-Data (AEAD) schemes provide confidentiality by encrypting the data, and also"
                         " provide authenticity assurances by creating a MAC tag over the encrypted data. The MAC tag will ensure the data is not accidentally altered or maliciously"
                         " tampered during transmission and storage.";

int main(void) {
    EC_POINT *pubkey = NULL;
    BIGNUM *prikey = NULL;
    GenECCKeys(pubkey, prikey);

 // 构建公钥私钥
    EC_KEY *public_key = EC_KEY_new();
    EC_KEY *private_key = EC_KEY_new();

    EC_KEY_set_public_key(public_key, pubkey);
    EC_KEY_set_private_key(private_key, prikey);

    size_t cipher_text_len = 0, re_plain_text_len = 0;

 // 获取加密后的长度 cipher_text_len
    int rst = sm2_encrypt(public_key, EVP_sm3(), reinterpret_cast<const unsigned char *>(plain_text),
                          strlen(plain_text), NULL, &cipher_text_len);

    unsigned char* cipher_text = (unsigned char*)malloc(cipher_text_len);
    unsigned char* re_plain_text = (unsigned char*)malloc(cipher_text_len);
    rst = sm2_encrypt(public_key, EVP_sm3(), reinterpret_cast<const unsigned char *>(plain_text),
        strlen(plain_text), cipher_text, &cipher_text_len);

    rst = sm2_decrypt(private_key, EVP_sm3(), cipher_text, cipher_text_len, re_plain_text, &re_plain_text_len);

    int cmp = memcmp(plain_text, reinterpret_cast<char*>(re_plain_text), re_plain_text_len);
    assert(cmp == 0);

    free(cipher_text);
    free(re_plain_text);
    EC_KEY_free(private_key);
    EC_KEY_free(public_key);

    return 0;
}