【Java语言BouncyCastle】国密算法之SM2签名及验签

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2023-05-13

SM2的签名及验签算法，主要是由SM2Signer这个类来实现的，它的构造函数很多，本文只介绍

public SM2Signer(DSAEncoding encoding);

这一个，也即默认的摘要算法为SM3，定制一下输出的签名结果。目标是签名后，期望得到的是一个64字节组成的二进制数组，也即国密规范文档中提到的r||s。

注意

本文不介绍SM2具体的使用细节，原理性的内容，所以要求要对SM2算法的作用和大概用法有事先的了解。

输入输出处理

实现一个DSAEncoding类，使签名输出的结果一个64字节的byte数组，内容即为r||s。验签时的输入也是一个64字节byte数组。

/**
 * r||s编解码器，使得签名结果为64字节的二进制数据
 * 因为大部分场景下，都是需要64字节的签名结果
 */
private class SM2RSEncoding implements DSAEncoding {
    @Override
    public BigInteger[] decode(BigInteger n, byte[] encoding) throws IOException {
        if(encoding == null || encoding.length != 64) {
            throw new IllegalArgumentException("Malformed signature");
        }
        byte[] buf = new byte[32];
        System.arraycopy(encoding, 0, buf, 0, 32);
        BigInteger r = checkValue(n, new BigInteger(1, buf));
        System.arraycopy(encoding, 32, buf, 0, 32);
        BigInteger s = checkValue(n, new BigInteger(1, buf));
        return new BigInteger[]{r, s};
    }

    @Override
    public byte[] encode(BigInteger n, BigInteger r, BigInteger s) throws IOException {
        ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream(65);
        bout.write(BigIntegers.asUnsignedByteArray(32, checkValue(n, r)));
        bout.write(BigIntegers.asUnsignedByteArray(32, checkValue(n, s)));
        return bout.toByteArray();
    }

    BigInteger checkValue(BigInteger n, BigInteger x) {
        if (x.signum() < 0 || (null != n && x.compareTo(n) >= 0)) {
            throw new IllegalArgumentException("Value out of range");
        }

        return x;
    }
}

这里的encode即是处理签名的结果输出，decode即是处理验签时的签名值输入。其中的参数n，即为SM2曲线中的参数n，无论是输出还是输入，都要校验大数是否符合SM2曲线的要求。

固定随机数

因为SM2每次签名时，都会随机生成一对密钥对，不方便写单元测试，因此需要实现一个固定随机数生成的类，使得每次签名生成的密钥对都一样，才好将签名结果与预期值进行比较，保证代码的正确性。

/**
 * 单元测试需要，固定每次签名生成的随机K，实际生产可千万不能这么用
 */
private class FixedRandom extends SecureRandom {
    byte[] fixedK = Hex.decode("b8b08eae2876ef4e24bc7b3e95373b39246cdcce58aaf6cdaf42874369ba1ff3");
    @Override
    public void nextBytes(byte[] bytes) {
        System.arraycopy(fixedK, 0, bytes, 0, 32);
    }
}

警告

生产时，可不能这么用哦。具体生产时注意细节，在后续代码里有备注。

默认UserId签名

默认的UserId为：1234567812345678

/**
 * SM2签名算法，采用默认的USERID：1234567812345678
 */
@Test
public void testSignWithDefaultUserId() {
    // 获取国密曲线
    X9ECParameters gmParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
    // 构造Domain参数
    ECDomainParameters gmDomainParameters = new ECDomainParameters(gmParameters.getCurve(),
            gmParameters.getG(), gmParameters.getN());

    try {
        // 创建无符号大数
        BigInteger sm2D = new BigInteger(1,
                Hex.decode("b8b08eae2876ef4e24bc7b3e95373b39246cdcce58aaf6cdaf42874369ba1ff3"));

        // 创建SM2私钥，ECPrivateKeyParameters实例创建时，会去校验大数是否符合SM2曲线的要求
        ECPrivateKeyParameters ecpriv = new ECPrivateKeyParameters(sm2D, gmDomainParameters);

        // 生产时，请勿这样使用
        ParametersWithRandom fixedRandomParameters = new ParametersWithRandom(ecpriv, new FixedRandom());

        // 默认的摘要算法即是SM3
        SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer(new SM2RSEncoding());
        // 此时默认的userid为1234567812345678
        sm2Signer.init(true, fixedRandomParameters); // 注意生产时应直接用ecpriv代替fixedRandomParameters
        // 添加待签名的数据
        sm2Signer.update(new byte[]{0x61, 0x62, 0x63}, 0, 3);
        // 生成签名
        byte[] signature = sm2Signer.generateSignature();

        Assert.assertEquals("edc1431d5871f4f0047775101453f5c7de18ddad9eba7c713fadc23f08e23069b625cf28779efaa432baa3f6682b95534fb6a7fa1c031f2f3778339902f95d66",
                Hex.toHexString(signature));
    }catch (Exception ex) {
        Assert.fail(ex.getMessage());
    }
}

默认UserId验签

默认的UserId为：1234567812345678

/**
 * SM2验签算法，采用默认的USERID：1234567812345678
 */
@Test
public void testVerifyWithDefaultUserId() {
    // 获取国密曲线
    X9ECParameters gmParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
    // 构造Domain参数
    ECDomainParameters gmDomainParameters = new ECDomainParameters(gmParameters.getCurve(),
            gmParameters.getG(), gmParameters.getN());

    try {
        // 从压缩公钥中创建点
        ECPoint sm2Q = gmDomainParameters.getCurve().decodePoint(
                Hex.decode("02a9036e0289d9fa6d566cd0500807e3cba1ce14ba9b58bfbbef00b4b8d502ed72"));

        // 跟私钥一样，在创建ECPublicKeyParameters实例的时候，会去校验点是否符合SM2曲线要求
        ECPublicKeyParameters ecpub = new ECPublicKeyParameters(sm2Q, gmDomainParameters);

        // 默认的摘要算法即是SM3
        SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer(new SM2RSEncoding());
        // 此时默认的userid为1234567812345678
        sm2Signer.init(false, ecpub);
        // 添加待签名的数据
        sm2Signer.update(new byte[]{0x61, 0x62, 0x63}, 0, 3);
        // 校验签名
        boolean verifyResult = sm2Signer.verifySignature(Hex.decodeStrict("edc1431d5871f4f0047775101453f5c7de18ddad9eba7c713fadc23f08e23069b625cf28779efaa432baa3f6682b95534fb6a7fa1c031f2f3778339902f95d66"));

        Assert.assertTrue(verifyResult);
    }catch (Exception ex) {
        Assert.fail(ex.getMessage());
    }
}

自定义UserId签名

UserId可以自行定义，不要超过8192个字节就行

/**
 * SM2签名算法，采用自定义的USERID：1234567887654321
 */
@Test
public void testSignWithCustomUserId() {
    // 获取国密曲线
    X9ECParameters gmParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
    // 构造Domain参数
    ECDomainParameters gmDomainParameters = new ECDomainParameters(gmParameters.getCurve(),
            gmParameters.getG(), gmParameters.getN());

    try {
        // 创建无符号大数
        BigInteger sm2D = new BigInteger(1,
                Hex.decode("b8b08eae2876ef4e24bc7b3e95373b39246cdcce58aaf6cdaf42874369ba1ff3"));

        // 创建SM2私钥，ECPrivateKeyParameters实例创建时，会去校验大数是否符合SM2曲线的要求
        ECPrivateKeyParameters ecpriv = new ECPrivateKeyParameters(sm2D, gmDomainParameters);

        // 生产时，请勿这样使用
        ParametersWithRandom fixedRandomParameters = new ParametersWithRandom(ecpriv, new FixedRandom());

        // 自定义userid
        ParametersWithID customIdParameters = new ParametersWithID(fixedRandomParameters,
                Hex.decodeStrict("31323334353637383837363534333231")); // 注意生产时应直接用ecpriv代替fixedRandomParameters

        // 默认的摘要算法即是SM3
        SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer(new SM2RSEncoding());
        // 此时的userid为1234567887654321
        sm2Signer.init(true, customIdParameters);
        // 添加待签名的数据
        sm2Signer.update(new byte[]{0x61, 0x62, 0x63}, 0, 3);
        // 生成签名
        byte[] signature = sm2Signer.generateSignature();

        Assert.assertEquals("732286b4258a1bb7cfb4c8b4156f39661bf1785b48531d521e38b5cb1237c90517e8df1a8c7530c8d813af0c4da784b0e69c125fdef9128b6ff3e0b9242ac850",
                Hex.toHexString(signature));
    }catch (Exception ex) {
        Assert.fail(ex.getMessage());
    }
}

自定义UserId验签

/**
 * SM2验签算法，采用自定义的USERID：1234567887654321
 */
@Test
public void testVerifyWithCustomUserId() {
    // 获取国密曲线
    X9ECParameters gmParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");
    // 构造Domain参数
    ECDomainParameters gmDomainParameters = new ECDomainParameters(gmParameters.getCurve(),
            gmParameters.getG(), gmParameters.getN());

    try {
        // 从压缩公钥中创建点
        ECPoint sm2Q = gmDomainParameters.getCurve().decodePoint(
                Hex.decode("02a9036e0289d9fa6d566cd0500807e3cba1ce14ba9b58bfbbef00b4b8d502ed72"));

        // 跟私钥一样，在创建ECPublicKeyParameters实例的时候，会去校验点是否符合SM2曲线要求
        ECPublicKeyParameters ecpub = new ECPublicKeyParameters(sm2Q, gmDomainParameters);

        // 自定义userid
        ParametersWithID customIdParameters = new ParametersWithID(ecpub,
                Hex.decodeStrict("31323334353637383837363534333231"));

        // 默认的摘要算法即是SM3
        SM2Signer sm2Signer = new SM2Signer(new SM2RSEncoding());
        // 此时的userid为1234567887654321
        sm2Signer.init(false, customIdParameters);
        // 添加待签名的数据
        sm2Signer.update(new byte[]{0x61, 0x62, 0x63}, 0, 3);
        // 校验签名
        boolean verifyResult = sm2Signer.verifySignature(Hex.decodeStrict("732286b4258a1bb7cfb4c8b4156f39661bf1785b48531d521e38b5cb1237c90517e8df1a8c7530c8d813af0c4da784b0e69c125fdef9128b6ff3e0b9242ac850"));

        Assert.assertTrue(verifyResult);
    }catch (Exception ex) {
        Assert.fail(ex.getMessage());
    }
}

国密SM2

国密SM3

国密SM4

算法补充