详解国密 SM2 的加密和解密

在上一篇文章《 解读国密非对称加密算法SM2 》介绍了国密非对称算法SM2，在文章中说到，如果现有的网络库中已经实现ECC算法，只需加入SM2命名曲线的参数即可。这对于ECDHE密钥协商和ECDSA数字签名这两种用途而言确实是足够的。现有的网络库，很少将ECC算法直接用于加密和解密。但在实现ECC_SM4_SM3这个密码套件中，在密钥交换过程中，存在客户端将Pre-Master Secret使用 SM2 公钥加密后传给服务器端的步骤。所以我们需要实现 SM2 的加密和解密。

如何使用 SM2 算法进行加密和解密，可以参考的资料是《GMT 0003.4-2012 SM2椭圆曲线公钥密码算法第4部分：公钥加密算法》。但这份文档有些地方描述的并不是很清楚，实现起来也是很头疼，在参考了GmSSL开源项目的源码之后，总算把这个过程梳理清楚了。先总结一下，把其中容易出错的位置重点说明一下，供大家参考。

先来看看国密文档中关于加密流程的描述：

1. 在A1步骤中，需要注意不能使用C语言中简单的随机数函数，因为这里 k 是一个很大的数字，有32字节，在GmSSL是用 BIGNUM 结构来表示的。在一般网络库中都会定义这种大整数类型，也会提供了随机函数发生器。

2. 在A2步骤中，一般实现了ECC算法的网络库都实现了 [k]G 这种运算，找到使用即可。将C1转化为比特串，需要考虑CPU大小端的问题，通常网络库有现成的函数。

3. 在A3步骤中，刚开始看文档没明白 h 值是什么，后来才理解到这就是曲线参数的 cofactor，而且这个步骤主要是验证公钥PB的有效性，略过也没问题。

4. 在A5步骤中，有个KDF函数需要实现。KDF函数的流程如下，其中的Hv函数请使用SM3：

6. A7步骤的Hash也采用SM3

7. 在最后拼接 C1 || C3 || C2 步骤，并不是把这些字节拼接起来就完事，我吃过大亏。因为在解密步骤中，还需要用到 x1、y1、C3、C2这几个参数，如果拼接成一个bit串，接收方如何拆分？如果我们内部使用，当然可以根据它们各自的长度（对于指定SM2曲线和SM3哈希算法，x1, y1, C3的长度是固定的）来拆分，但这样不够灵活，万一换了命名曲线或哈希算法呢？在文档中没有找到说明，但我研究了GmSSL的源码，才弄明白要采用ASN.1 DER编码，这样接受方就可以通过DER解码，分别拿到x1、y1、C3、C2参数值。关于DER编码解码，请参考相关的资料，一般网络库都会提供DER编解码的函数，我们只要调用就可以了。

最后这一步，要是只看这份文档，就会掉进一个大坑。我在本地实现了SM2的加密和解密，使用 《GMT 0003.4-2012》文档附录中的数据进行测试，也都通过，但在与第三方服务器端对接时，总是解密失败，后来才发现是因为这个原因。

国密文档中关于解密流程的描述：

实现了加密流程后，解密流程的实现就简单了，这里不再过多描述。

《GMT 0003.4-2012》文档附录A中的测试数据非常有用，有每个步骤的计算结果，可用于排查哪个步骤实现出现问题，在开发中要充分利用。

小结

非对称加密算法通常很少直接用于数据的加密和解密，主要是考虑到其速度远低于对称加密算法。在ECC_SM4_SM3密码套件中，SM2用于密钥交换（客户端生成Pre-Master Secret，加密后传输给服务器端）。当然，如果在程序中直接使用SM2加密信用卡卡号之类的小数据也是可以的。

如果大家有什么问题，欢迎交流。