C语言实现SM2算法（附带源码）

项目介绍

SM2算法是中国国家商用密码算法标准之一，属于椭圆曲线公钥密码算法（ECC）。SM2算法主要用于数字签名和密钥交换。它基于椭圆曲线的离散对数问题，提供了对称加密和非对称加密的安全性。

本项目的目标是使用C语言实现SM2算法，重点是实现SM2的数字签名算法。SM2算法基于椭圆曲线，可以实现数据签名、验证签名等功能。具体来说，本项目会包括以下几个部分：

椭圆曲线加密算法基础：SM2算法使用的是一个特定的椭圆曲线，定义了其方程和参数。
SM2数字签名：包括签名和验证签名的过程。
SM2密钥生成：SM2算法要求生成公钥和私钥，用于加解密操作。
SM2实现的基础组件：包括大整数运算、椭圆曲线运算等。

实现思路

SM2算法是一个比较复杂的算法，它涉及到椭圆曲线的定义和大整数运算。在本项目中，我们将实现SM2的数字签名和验证签名功能，简要说明其实现过程：

椭圆曲线定义：选择SM2标准中的椭圆曲线参数，包括基点G、曲线方程、素数p等。
私钥生成：通过生成随机数来构造私钥。
公钥生成：公钥是私钥与基点G的乘积（椭圆曲线上的点乘运算）。
签名生成：通过私钥和消息内容生成签名，签名分为r和s两个部分。
签名验证：利用签名、消息和公钥进行签名验证，判断签名是否有效。

C语言实现

SM2的实现较为复杂，涉及到椭圆曲线点的加法、乘法等操作。为了简化实现，这里仅展示数字签名和验证的核心部分。在实际项目中，可以使用现成的库，如OpenSSL等。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <openssl/bn.h>
#include <openssl/ec.h>
#include <openssl/ecdsa.h>
#include <openssl/sha.h>

// 定义SM2椭圆曲线
#define SM2_GROUP_NAME "secp256k1"  // SM2使用的是secp256k1曲线

// 使用OpenSSL库生成SM2密钥对
int generate_sm2_keypair(EC_KEY **eckey) {
    EC_GROUP *group = NULL;
    EC_POINT *pub_key = NULL;
    BIGNUM *priv_key = NULL;
    int ret = 0;

    // 创建SM2曲线的参数
    group = EC_GROUP_new_by_curve_name(NID_secp256k1);
    if (group == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to create curve group.\n");
        return -1;
    }

    // 创建一个EC密钥
    *eckey = EC_KEY_new();
    if (*eckey == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to create EC key.\n");
        EC_GROUP_free(group);
        return -1;
    }

    // 设置曲线
    if (EC_KEY_set_group(*eckey, group) == 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to set curve group.\n");
        EC_KEY_free(*eckey);
        EC_GROUP_free(group);
        return -1;
    }

    // 生成密钥对
    priv_key = BN_new();
    if (priv_key == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to create private key.\n");
        EC_KEY_free(*eckey);
        EC_GROUP_free(group);
        return -1;
    }

    if (BN_rand(priv_key, 256, -1, 0) != 1) {
        fprintf(stderr, "Failed to generate private key.\n");
        BN_free(priv_key);
        EC_KEY_free(*eckey);
        EC_GROUP_free(group);
        return -1;
    }

    pub_key = EC_POINT_new(group);
    if (pub_key == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to create public key.\n");
        BN_free(priv_key);
        EC_KEY_free(*eckey);
        EC_GROUP_free(group);
        return -1;
    }

    if (EC_POINT_mul(group, pub_key, priv_key, NULL, NULL, NULL) != 1) {
        fprintf(stderr, "Failed to compute public key.\n");
        EC_POINT_free(pub_key);
        BN_free(priv_key);
        EC_KEY_free(*eckey);
        EC_GROUP_free(group);
        return -1;
    }

    // 设置公钥和私钥
    if (EC_KEY_set_private_key(*eckey, priv_key) == 0 ||
        EC_KEY_set_public_key(*eckey, pub_key) == 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to set private or public key.\n");
        EC_POINT_free(pub_key);
        BN_free(priv_key);
        EC_KEY_free(*eckey);
        EC_GROUP_free(group);
        return -1;
    }

    ret = 1;
    EC_POINT_free(pub_key);
    BN_free(priv_key);
    EC_GROUP_free(group);

    return ret;
}

// 生成SM2签名
int sm2_sign(const unsigned char *message, size_t msg_len, EC_KEY *eckey, unsigned char **signature, size_t *sig_len) {
    ECDSA_SIG *sig = NULL;
    unsigned char *sig_buf = NULL;
    int ret = 0;

    // 创建ECDSA签名
    sig = ECDSA_do_sign(message, msg_len, eckey);
    if (sig == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to sign message.\n");
        return -1;
    }

    // 获取签名
    sig_buf = (unsigned char *)malloc(ECDSA_size(eckey));
    if (sig_buf == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation error.\n");
        ECDSA_SIG_free(sig);
        return -1;
    }

    *sig_len = i2d_ECDSA_SIG(sig, &sig_buf);
    if (*sig_len < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to encode signature.\n");
        free(sig_buf);
        ECDSA_SIG_free(sig);
        return -1;
    }

    *signature = sig_buf;
    ret = 1;
    ECDSA_SIG_free(sig);

    return ret;
}

// 验证SM2签名
int sm2_verify(const unsigned char *message, size_t msg_len, const unsigned char *signature, size_t sig_len, EC_KEY *eckey) {
    ECDSA_SIG *sig = NULL;
    const unsigned char *sig_ptr = signature;
    int ret = 0;

    // 反序列化签名
    sig = d2i_ECDSA_SIG(NULL, &sig_ptr, sig_len);
    if (sig == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to decode signature.\n");
        return -1;
    }

    // 验证签名
    if (ECDSA_do_verify(message, msg_len, sig, eckey) != 1) {
        fprintf(stderr, "Signature verification failed.\n");
    } else {
        ret = 1;
    }

    ECDSA_SIG_free(sig);
    return ret;
}

int main() {
    EC_KEY *eckey = NULL;
    unsigned char *signature = NULL;
    size_t sig_len;
    const char *message = "Hello, SM2!";
    size_t msg_len = strlen(message);

    // 生成SM2密钥对
    if (generate_sm2_keypair(&eckey) != 1) {
        fprintf(stderr, "Failed to generate SM2 keypair.\n");
        return -1;
    }

    // 生成签名
    if (sm2_sign((unsigned char *)message, msg_len, eckey, &signature, &sig_len) != 1) {
        fprintf(stderr, "Failed to sign message.\n");
        EC_KEY_free(eckey);
        return -1;
    }

    // 验证签名
    if (sm2_verify((unsigned char *)message, msg_len, signature, sig_len, eckey) == 1) {
        printf("Signature verified successfully.\n");
    } else {
        printf("Signature verification failed.\n");
    }

    // 清理资源
    EC_KEY_free(eckey);
    free(signature);

    return 0;
}

代码解释

generate_sm2_keypair：该函数用于生成SM2算法的密钥对，包括公钥和私钥。私钥是一个大整数，公钥是私钥与椭圆曲线基点的乘积。
sm2_sign：该函数用于生成SM2签名。输入消息和私钥，生成签名并返回。
sm2_verify：该函数用于验证SM2签名。通过公钥和消息验证签名的有效性。
main：程序的主函数。首先生成SM2密钥对，然后使用私钥生成签名，最后使用公钥验证签名。

总结

SM2算法在中国广泛应用于金融、政府等领域的加密通讯和数据保护。本文展示了如何使用C语言实现SM2的数字签名和验证功能。尽管SM2的具体实现较为复杂，但通过使用OpenSSL的基础库函数，我们能够轻松生成密钥对、签名和验证签名。在实际的生产环境中，通常会使用专业的加密库（如OpenSSL、GmSSL等）来实现SM2算法。

C语言实现SM2算法（附带源码）

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