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C++调用openssl实现国标sm2签名算法的使用_使用openssl的sm2算法对消息加密

作者：繁依Fanyi0 | 2024-03-08 18:02:30

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使用openssl的sm2算法对消息加密

背景

SM2算法基于ECC椭圆曲线算法，广泛用于区块链、HTTPS 等需要非对称加密的场景。是基于椭圆曲线数学理论实现的一种非对称加密算法。相比RSA，ECC优势是可以使用更短的密钥，来实现与RSA相当或更高的安全。

下面链接可以了解一些关于SM2的基础知识。

在这里插入图片描述

可以看下知乎上这张图，一眼就可以看出SM1 SM2 SM3等和我们常见的国际加密算法的对应关系。

因为国产化原因，项目中需要使用国标sm2签名算法对文件进行签名和验签。OpenSSL 1.1.1版本提供了对国密SM2算法的支持，在之前的版本openssl不支持。

目前关于使用sm2算法，有两种做法，一种是采用开源库 gmssl。gmssl3已经脱离了openssl的依赖，现在是一个比较好的支持国密算法和ssl协议的三方库。

关于gmssl的使用可以参考它的源码链接，还是比较简单的。

第二种是本文的做法，使用openssl1.1.1版本中的sm2的支持。

核心代码

#pragma once
#include <string>

class Sm2Helper
{
public:
    /**
    * @brief 生成sm2密钥
    * @param [IN] privKeyfilePath   私钥文件的完整存储路径(包含文件名)，函数内部会将私钥内容写入文件
    * @param [IN] pubKeyfilePath    公钥文件的完整存储路径(包含文件名)，函数内部会将公钥内容写入文件
    */
    static bool sm2genKey(SM2_KEY_PAIR& key_pair, const std::string& privKeyfilePath,
                          const std::string& pubKeyfilePath);
    /**
    * @brief 用私钥和公钥对文件进行签名
    * @param [IN] user_id           在同一套密钥下，可以对同一个文件用不同的user_id 生成不同的签名文件
    * @param [IN] msgDigest         要签名文件的摘要信息，一般可以使用文件的md5或者SM3摘要信息（具体使用哪种规则用户可以自定义，但是注意签名和验签要采用相同的方法计算摘要）
    * @param [IN] msgDigest_len     摘要信息字符串长度
    * @param [IN] privKeyfilePath   私钥文件
    * @param [IN] pubKeyfilePath    公钥文件
    * @param [OUT] sm2_sig          生成的签名信息（r||s）64字节
    * @param [IN] sigfilePath       生成的签名文件，函数内部会将签名信息写入文件
    */
    static bool sm2signWithFile(const std::string& user_id, const unsigned char* msgDigest,
                                const int msgDigest_len,
                                const std::string& privKeyfilePath, const std::string& pubKeyfilePath,
                                SM2_SIGNATURE_STRUCT& sm2_sig, const std::string& sigfilePath);
    /**
    * @brief 用公钥对文件进行签名验证
    * @param [IN] user_id           在同一套密钥下，可以对同一个文件用不同的user_id 生成不同的签名文件
    * @param [IN] pubKeyfilePath    公钥文件
    * @param [IN] msgDigest         待验证文件的摘要信息，一般可以使用文件的md5或者SM3摘要信息（具体使用哪种规则用户可以自定义，但是注意验签和签名要采用相同的方法计算摘要）
    * @param [IN] msgDigest_len     摘要信息字符串长度
    * @param [IN] sigFilePath       签名文件
    */
    static bool sm2VerifyWithFile(const std::string& user_id, const std::string& pubKeyfilePath,
                                  const unsigned char* verifyMsgDigest, const int verifyMsgDigest_len,
                                  const std::string& sigFilePath);
};

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#include <QDebug>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "sm2_create_key_pair.h"
#include "sm2_sign_and_verify.h"
#include "sm2helper.h"

bool Sm2Helper::sm2genKey(SM2_KEY_PAIR& key_pair, const std::string& privKeyfilePath,
                          const std::string& pubKeyfilePath)
{
    if (0 != sm2_create_key_pair(&key_pair)) {
        qWarning("Create SM2 key pair failed!\n");
        return false;
    }

    FILE* fd_key_priv = fopen(privKeyfilePath.data(), "wb+");
    if (nullptr == fd_key_priv) {
        qWarning("create file %s failed.\n", privKeyfilePath.data());
        return false;
    }
    size_t ret_size = fwrite(key_pair.pri_key, sizeof(unsigned char), PRIVATE_KEY_SIZE, fd_key_priv);
    fclose(fd_key_priv);
    if (ret_size != PRIVATE_KEY_SIZE) {
        qWarning("write private key to file %s error.\n", privKeyfilePath.data());
        return false;
    }

    FILE* fd_key_pub = fopen(pubKeyfilePath.data(), "wb+");
    if (nullptr == fd_key_pub) {
        qWarning("create file %s failed.\n", pubKeyfilePath.data());
        return false;
    }
    ret_size = fwrite(key_pair.pub_key, sizeof(unsigned char), PUBLIC_KEY_SIZE, fd_key_pub);
    fclose(fd_key_pub);
    if (ret_size != PUBLIC_KEY_SIZE) {
        qWarning("write public key to file %s error.\n", pubKeyfilePath.data());
        return false;
    }

    qDebug("writing key to file OK.\n");
    return true;
}

bool Sm2Helper::sm2signWithFile(const std::string& user_id,  const unsigned char* msgDigest,
                                const int msgDigest_len,
                                const std::string& privKeyfilePath,
                                const std::string& pubKeyfilePath,
                                SM2_SIGNATURE_STRUCT& sm2_sig, const std::string& sigfilePath)
{
    SM2_KEY_PAIR key_pair;

    FILE* fd_key_priv = fopen(privKeyfilePath.data(), "rb+");
    if (nullptr == fd_key_priv) {
        qDebug("read file %s failed.\n", privKeyfilePath.data());
        return false;
    }

    size_t  ret_size = fread(key_pair.pri_key, sizeof(unsigned char), PRIVATE_KEY_SIZE, fd_key_priv);
    fclose(fd_key_priv);
    if (ret_size != PRIVATE_KEY_SIZE) {
        qDebug("read private key error.\n");
        return false;
    }

    FILE* fd_key_pub = fopen(pubKeyfilePath.data(), "rb+");
    if (nullptr == fd_key_pub) {
        qDebug("read file %s failed.\n", pubKeyfilePath.data());
        return false;
    }

    ret_size = fread(key_pair.pub_key, sizeof(unsigned char), PUBLIC_KEY_SIZE, fd_key_pub);
    fclose(fd_key_pub);
    if (ret_size != PUBLIC_KEY_SIZE) {
        qDebug("read public key error.\n");
        return false;
    }

    if (0 != sm2_sign_data(msgDigest,
                           msgDigest_len,
                           reinterpret_cast<const unsigned char* >
                           (user_id.data()),
                           user_id.length(),
                           key_pair.pub_key,
                           key_pair.pri_key,
                           &sm2_sig) ) {
        qWarning("Create SM2 signature failed!\n");
        return false;
    }

    FILE* fd_sig = fopen(sigfilePath.data(), "wb+");
    if (nullptr == fd_sig) {
        qDebug("read file %s failed.\n", sigfilePath.data());
        return false;
    }

    ret_size = fwrite(sm2_sig.r_coordinate, sizeof(unsigned char), SIGFILE_HALF_R_SIZE, fd_sig);
    if (ret_size != SIGFILE_HALF_R_SIZE) {
        qDebug("create image signature file (%s)--r_coordinate error.\n", sigfilePath.data());
        fclose(fd_sig);
        return false;
    }

    ret_size = fwrite(sm2_sig.s_coordinate, sizeof(unsigned char), SIGFILE_HALF_S_SIZE, fd_sig);
    fclose(fd_sig);
    if (ret_size != SIGFILE_HALF_S_SIZE) {
        qDebug("create image signature file (%s)--s_coordinate error.\n", sigfilePath.data());
        return false;
    }

    return true;
}

bool Sm2Helper::sm2VerifyWithFile(const std::string& user_id, const std::string& pubKeyfilePath,
                                  const unsigned char* verifyMsgDigest, const int verifyMsgDigest_len,
                                  const std::string& sigFilePath)
{
    SM2_SIGNATURE_STRUCT sm2_sig2;
    unsigned char pub[PUBLIC_KEY_SIZE] = {0};

    FILE* fd_key_pub = fopen(pubKeyfilePath.data(), "rb+");
    if (nullptr == fd_key_pub) {
        qDebug("read file %s failed.\n", pubKeyfilePath.data());
        return false;
    }

    size_t ret_size = fread(pub, sizeof(unsigned char), PUBLIC_KEY_SIZE, fd_key_pub);
    fclose(fd_key_pub);
    if (ret_size != PUBLIC_KEY_SIZE) {
        qDebug("read public key error.\n");
        return false;
    }

    FILE* fd_sig = fopen(sigFilePath.data(), "rb+");
    if (nullptr == fd_sig) {
        qDebug("read file %s failed.\n", sigFilePath.data());
        return false;
    }

    ret_size = fread(sm2_sig2.r_coordinate, sizeof(unsigned char), SIGFILE_HALF_R_SIZE, fd_sig);
    if (ret_size != SIGFILE_HALF_R_SIZE) {
        qDebug("read sig file: %s error.\n", sigFilePath.data());
        fclose(fd_sig);
        return false;
    }

    ret_size = fread(sm2_sig2.s_coordinate, sizeof(unsigned char), SIGFILE_HALF_S_SIZE, fd_sig);
    fclose(fd_sig);
    if (ret_size != SIGFILE_HALF_S_SIZE) {
        qDebug("read sig file: %s error.\n", sigFilePath.data());
        return false;
    }

    int error_code = sm2_verify_sig(verifyMsgDigest, verifyMsgDigest_len,
                                    reinterpret_cast<const unsigned char*>
                                    (user_id.data()), user_id.length(), pub,
                                    &sm2_sig2);
    if (0 != error_code) {
        qDebug("Verify SM2 signature failed!\n");
        return false;
    }

    qDebug("Verify SM2 signature succeeded!\n");
    return true;
}

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详细解释可以看代码注释。

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