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doc: SM9标识密码算法应用指南
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‎README.md

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@@ -44,6 +44,7 @@ Go语言商用密码软件，简称**GMSM**，一个安全、高性能、易于
4444
* [SM2椭圆曲线公钥密码算法应用指南](./docs/sm2.md)
4545
* [SM3密码杂凑算法应用指南](./docs/sm3.md)
4646
* [SM4分组密码算法应用指南](./docs/sm4.md)
47+
* [SM9标识密码算法应用指南](./docs/sm9.md)
4748

4849
## 相关项目
4950
* **[Trisia/TLCP](https://github.com/Trisia/gotlcp)** - 一个《GB/T 38636-2020 信息安全技术 传输层密码协议》Go语言实现项目。

‎docs/sm9.md

Lines changed: 326 additions & 0 deletions
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@@ -0,0 +1,326 @@
1+
# SM9标识密码算法应用指南
2+
3+
## 参考标准
4+
* 《GB/T 38635.1-2020 信息安全技术 SM9标识密码算法 第1部分：总则》
5+
* 《GB/T 38635.2-2020 信息安全技术 SM9标识密码算法 第2部分：算法》
6+
* 《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》
7+
* 《GM/T 0086-2020 基于SM9标识密码算法的密钥管理系统技术规范》
8+
9+
您可以从[国家标准全文公开系统](https://openstd.samr.gov.cn/)在线阅读这些标准。
10+
11+
## 概述
12+
SM9算法是一种基于双线性对的标识密码算法（简称“IBC”），由数字签名算法、标识加密算法、密钥协商协议三部分组成，相比于传统密码体系，SM9密码系统号称的**最大的优势就是无需证书、易于使用、易于管理、总体拥有成本低**，但这显然过于理想化：
13+
* **KGC**中心的标准化与权威性。标志密码算法依然需要主密钥，需要中心化的KGC，私有系统可能自己搞个简单点的服务就行，但作为公共、公开服务系统，没有标准化与权威性是不行的。
14+
* 用户私钥依然有被盗、遗失的风险，所以依然有用户标识作废、重新启用等需求。这也意味着客户端依然需要访问**KGC**的公开参数服务，查询用户标识状态。
15+
* **《GM/T 0086-2020 基于SM9标识密码算法的密钥管理系统技术规范》** 定义了相关规范，但不知道有没有建成相关系统。且这和传统的公钥体系（PKI）相比有何优势？
16+
17+
同时，SM9标识密码算法还有以下问题：
18+
* 基于双线性对的标识密码算法的实现复杂度和性能问题（本软件库的SM9实现，其签名、验签性能不到SM2的十分之一）。
19+
* SM9标识密码算法选择的bn256曲线安全问题：[128位安全性挑战](https://moderncrypto.org/mail-archive/curves/2016/000740.html)？
20+
21+
上述只是简单的探讨，没有贬低SM9标识密码算法的意思。
22+
23+
## 主公私钥对
24+
SM9标识密码算法用于签名和加密的主公私钥对是分开的，需要各自独立生成：
25+
* ```sm9.GenerateSignMasterKey```用于生成签名主密钥对。
26+
* ```sm9.GenerateEncryptMasterKey```用于生成加密主密钥对。
27+
28+
其中签名主公钥是G2上的点，加密主公钥是G1上的点，而签名、加密主私钥都是一个随机大整数。
29+
30+
主公私钥的ASN.1数据格式定义请参考《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》，和椭圆曲线的公私钥ASN.1数据格式类似。本软件实现了相应的Marshal/Unmarshal方法。
31+
32+
## 用户私钥
33+
用户的签名私钥由签名主私钥、用户标识生成：```(master *SignMasterPrivateKey) GenerateUserKey(uid []byte, hid byte) (*SignPrivateKey, error)```，它是G1上的点。
34+
35+
用户的加密私钥由加密主私钥、用户标识生成：```func (master *EncryptMasterPrivateKey) GenerateUserKey(uid []byte, hid byte) (*EncryptPrivateKey, error)```，它是G2上的点。
36+
37+
《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》中 hid 定义如下：
38+
* hid = 1，签名
39+
* hid = 3，加密
40+
41+
本软件实现没有硬编码**hid**的值。
42+
43+
用户签名、加密私钥的ASN.1数据格式定义请参考《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》，和椭圆曲线点的ASN.1数据格式类似。本软件实现了相应的Marshal/Unmarshal方法。
44+
45+
目前```smx509```中实现的```MarshalPKCS8PrivateKey/ParsePKCS8PrivateKey```没有相关标准，只是为了和[gmssl](https://github.com/guanzhi/GmSSL)互操作验证，请参考[sm9:【feature】是否考虑支持 pem 格式的公私钥输出](https://github.com/emmansun/gmsm/issues/86)。
46+
```go
47+
func TestMarshalPKCS8SM9SignPrivateKey(t *testing.T) {
48+
masterKey, err := sm9.GenerateSignMasterKey(rand.Reader)
49+
if err != nil {
50+
t.Fatal(err)
51+
}
52+
privateKey, err := masterKey.GenerateUserKey([]byte("emmansun"), 0x01)
53+
if err != nil {
54+
t.Fatal(err)
55+
}
56+
res, err := MarshalPKCS8PrivateKey(privateKey)
57+
if err != nil {
58+
t.Fatal(err)
59+
}
60+
privateKey1, err := ParsePKCS8PrivateKey(res)
61+
if err != nil {
62+
t.Fatal(err)
63+
}
64+
privateKey2, ok := privateKey1.(*sm9.SignPrivateKey)
65+
if !ok {
66+
t.Fatalf("not expected key")
67+
}
68+
if !privateKey.PrivateKey.Equal(privateKey2.PrivateKey) ||
69+
!privateKey.MasterPublicKey.Equal(privateKey2.MasterPublicKey) {
70+
t.Fatalf("not same key")
71+
}
72+
}
73+
74+
func TestMarshalPKCS8SM9EncPrivateKey(t *testing.T) {
75+
masterKey, err := sm9.GenerateEncryptMasterKey(rand.Reader)
76+
if err != nil {
77+
t.Fatal(err)
78+
}
79+
privateKey, err := masterKey.GenerateUserKey([]byte("emmansun"), 0x01)
80+
if err != nil {
81+
t.Fatal(err)
82+
}
83+
res, err := MarshalPKCS8PrivateKey(privateKey)
84+
if err != nil {
85+
t.Fatal(err)
86+
}
87+
privateKey1, err := ParsePKCS8PrivateKey(res)
88+
if err != nil {
89+
t.Fatal(err)
90+
}
91+
privateKey2, ok := privateKey1.(*sm9.EncryptPrivateKey)
92+
if !ok {
93+
t.Fatalf("not expected key")
94+
}
95+
if !privateKey.PrivateKey.Equal(privateKey2.PrivateKey) ||
96+
!privateKey.MasterPublicKey.Equal(privateKey2.MasterPublicKey) {
97+
t.Fatalf("not same key")
98+
}
99+
}
100+
101+
func TestMarshalPKCS8SM9SignMasterPrivateKey(t *testing.T) {
102+
masterKey, err := sm9.GenerateSignMasterKey(rand.Reader)
103+
if err != nil {
104+
t.Fatal(err)
105+
}
106+
res, err := MarshalPKCS8PrivateKey(masterKey)
107+
if err != nil {
108+
t.Fatal(err)
109+
}
110+
masterKey1, err := ParsePKCS8PrivateKey(res)
111+
if err != nil {
112+
t.Fatal(err)
113+
}
114+
masterKey2, ok := masterKey1.(*sm9.SignMasterPrivateKey)
115+
if !ok {
116+
t.Fatalf("not expected key")
117+
}
118+
masterKey2.MasterPublicKey.Marshal()
119+
if !(masterKey.D.Cmp(masterKey2.D) == 0 && masterKey.MasterPublicKey.Equal(masterKey2.MasterPublicKey)) {
120+
t.Fatalf("not same key")
121+
}
122+
}
123+
124+
func TestMarshalPKCS8SM9EncMasterPrivateKey(t *testing.T) {
125+
masterKey, err := sm9.GenerateEncryptMasterKey(rand.Reader)
126+
if err != nil {
127+
t.Fatal(err)
128+
}
129+
res, err := MarshalPKCS8PrivateKey(masterKey)
130+
if err != nil {
131+
t.Fatal(err)
132+
}
133+
masterKey1, err := ParsePKCS8PrivateKey(res)
134+
if err != nil {
135+
t.Fatal(err)
136+
}
137+
masterKey2, ok := masterKey1.(*sm9.EncryptMasterPrivateKey)
138+
if !ok {
139+
t.Fatalf("not expected key")
140+
}
141+
masterKey2.MasterPublicKey.Marshal()
142+
if !(masterKey.D.Cmp(masterKey2.D) == 0 && masterKey.MasterPublicKey.Equal(masterKey2.MasterPublicKey)) {
143+
t.Fatalf("not same key")
144+
}
145+
}
146+
```
147+
148+
## 数字签名
149+
使用用户签名私钥进行签名，使用签名主公钥和用户标识进行验签：
150+
```go
151+
func ExampleSignPrivateKey_Sign() {
152+
// real user sign private key should be from secret storage.
153+
kb, _ := hex.DecodeString("0130E78459D78545CB54C587E02CF480CE0B66340F319F348A1D5B1F2DC5F4")
154+
var b cryptobyte.Builder
155+
b.AddASN1BigInt(new(big.Int).SetBytes(kb))
156+
kb, _ = b.Bytes()
157+
masterkey := new(sm9.SignMasterPrivateKey)
158+
err := masterkey.UnmarshalASN1(kb)
159+
if err != nil {
160+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnmarshalASN1: %s\n", err)
161+
return
162+
}
163+
hid := byte(0x01)
164+
uid := []byte("Alice")
165+
userKey, err := masterkey.GenerateUserKey(uid, hid)
166+
if err != nil {
167+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from GenerateUserKey: %s\n", err)
168+
return
169+
}
170+
171+
// sm9 sign
172+
hash := []byte("Chinese IBS standard")
173+
sig, err := userKey.Sign(rand.Reader, hash, nil)
174+
if err != nil {
175+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from Sign: %s\n", err)
176+
return
177+
}
178+
179+
// Since sign is a randomized function, signature will be
180+
// different each time.
181+
fmt.Printf("%x\n", sig)
182+
}
183+
184+
func ExampleVerifyASN1() {
185+
// get master public key, can be from pem
186+
masterPubKey := new(sm9.SignMasterPublicKey)
187+
keyBytes, _ := hex.DecodeString("03818200049f64080b3084f733e48aff4b41b565011ce0711c5e392cfb0ab1b6791b94c40829dba116152d1f786ce843ed24a3b573414d2177386a92dd8f14d65696ea5e3269850938abea0112b57329f447e3a0cbad3e2fdb1a77f335e89e1408d0ef1c2541e00a53dda532da1a7ce027b7a46f741006e85f5cdff0730e75c05fb4e3216d")
188+
err := masterPubKey.UnmarshalASN1(keyBytes)
189+
if err != nil {
190+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnmarshalASN1: %s\n", err)
191+
return
192+
}
193+
hid := byte(0x01)
194+
uid := []byte("Alice")
195+
hash := []byte("Chinese IBS standard")
196+
sig, _ := hex.DecodeString("30660420b0d0c0bb1b57ea0d5b51cb5c96be850b8c2eef6b0fff5fcccb524b972574e6eb03420004901819575c9211c7b4e6e137794d23d0095608bcdad5c82dbff05777c5b49c763e4425acea2aaedf9e48d4784b4e4a5621cc3663fe0aae44dcbeac183fee9b0f")
197+
ok := sm9.VerifyASN1(masterPubKey, uid, hid, hash, sig)
198+
199+
fmt.Printf("%v\n", ok)
200+
// Output: true
201+
}
202+
203+
func ExampleSignMasterPublicKey_Verify() {
204+
// get master public key, can be from pem
205+
masterPubKey := new(sm9.SignMasterPublicKey)
206+
keyBytes, _ := hex.DecodeString("03818200049f64080b3084f733e48aff4b41b565011ce0711c5e392cfb0ab1b6791b94c40829dba116152d1f786ce843ed24a3b573414d2177386a92dd8f14d65696ea5e3269850938abea0112b57329f447e3a0cbad3e2fdb1a77f335e89e1408d0ef1c2541e00a53dda532da1a7ce027b7a46f741006e85f5cdff0730e75c05fb4e3216d")
207+
err := masterPubKey.UnmarshalASN1(keyBytes)
208+
if err != nil {
209+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnmarshalASN1: %s\n", err)
210+
return
211+
}
212+
hid := byte(0x01)
213+
uid := []byte("Alice")
214+
hash := []byte("Chinese IBS standard")
215+
sig, _ := hex.DecodeString("30660420b0d0c0bb1b57ea0d5b51cb5c96be850b8c2eef6b0fff5fcccb524b972574e6eb03420004901819575c9211c7b4e6e137794d23d0095608bcdad5c82dbff05777c5b49c763e4425acea2aaedf9e48d4784b4e4a5621cc3663fe0aae44dcbeac183fee9b0f")
216+
ok := masterPubKey.Verify(uid, hid, hash, sig)
217+
218+
fmt.Printf("%v\n", ok)
219+
// Output: true
220+
}
221+
```
222+
签名结果ASN.1格式请参考参考《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》。
223+
224+
## 密钥封装
225+
使用加密主公钥和目标用户标识进行密钥封装，使用用户加密私钥和用户标识进行解封：
226+
```go
227+
func ExampleEncryptMasterPublicKey_WrapKey() {
228+
// get master public key, can be from pem
229+
masterPubKey := new(sm9.EncryptMasterPublicKey)
230+
keyBytes, _ := hex.DecodeString("03420004787ed7b8a51f3ab84e0a66003f32da5c720b17eca7137d39abc66e3c80a892ff769de61791e5adc4b9ff85a31354900b202871279a8c49dc3f220f644c57a7b1")
231+
err := masterPubKey.UnmarshalASN1(keyBytes)
232+
if err != nil {
233+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnmarshalASN1: %s\n", err)
234+
return
235+
}
236+
hid := byte(0x03)
237+
uid := []byte("Bob")
238+
key, cipherDer, err := masterPubKey.WrapKey(rand.Reader, uid, hid, 32)
239+
if err != nil {
240+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from WrapKeyASN1: %s\n", err)
241+
return
242+
}
243+
244+
// Since WrapKey is a randomized function, result will be
245+
// different each time.
246+
fmt.Printf("%s %s\n", hex.EncodeToString(key), hex.EncodeToString(cipherDer))
247+
}
248+
249+
func ExampleEncryptPrivateKey_UnwrapKey() {
250+
// real user encrypt private key should be from secret storage, e.g. password protected pkcs8 file
251+
kb, _ := hex.DecodeString("038182000494736acd2c8c8796cc4785e938301a139a059d3537b6414140b2d31eecf41683115bae85f5d8bc6c3dbd9e5342979acccf3c2f4f28420b1cb4f8c0b59a19b1587aa5e47570da7600cd760a0cf7beaf71c447f3844753fe74fa7ba92ca7d3b55f27538a62e7f7bfb51dce08704796d94c9d56734f119ea44732b50e31cdeb75c1")
252+
userKey := new(sm9.EncryptPrivateKey)
253+
err := userKey.UnmarshalASN1(kb)
254+
if err != nil {
255+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnmarshalASN1: %s\n", err)
256+
return
257+
}
258+
259+
cipherDer, _ := hex.DecodeString("0342000447689629d1fa57e8def447f42b75e28518a1b692891528ca596f7bcbf581c7cf429ed01b114ce157ed4eadd0b2ded9a7e475e347f67b6affa3a6cf654573f978")
260+
key, err := userKey.UnwrapKey([]byte("Bob"), cipherDer, 32)
261+
if err != nil {
262+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnwrapKey: %s\n", err)
263+
return
264+
}
265+
fmt.Printf("%s\n", hex.EncodeToString(key))
266+
// Output: 270c42505bca90a8084064ea8af279364405a8195f30664082ead3d6991ed70f
267+
}
268+
```
269+
270+
密钥封装结果ASN.1格式请参考参考《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》。
271+
272+
## 公钥加密算法
273+
使用加密主公钥和目标用户标识进行加密，使用用户加密私钥和用户标识进行解密：
274+
```go
275+
func ExampleEncryptMasterPublicKey_Encrypt() {
276+
// get master public key, can be from pem
277+
masterPubKey := new(sm9.EncryptMasterPublicKey)
278+
keyBytes, _ := hex.DecodeString("03420004787ed7b8a51f3ab84e0a66003f32da5c720b17eca7137d39abc66e3c80a892ff769de61791e5adc4b9ff85a31354900b202871279a8c49dc3f220f644c57a7b1")
279+
err := masterPubKey.UnmarshalASN1(keyBytes)
280+
if err != nil {
281+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnmarshalASN1: %s\n", err)
282+
return
283+
}
284+
hid := byte(0x03)
285+
uid := []byte("Bob")
286+
287+
ciphertext, err := masterPubKey.Encrypt(rand.Reader, uid, hid, []byte("Chinese IBE standard"), sm9.DefaultEncrypterOpts)
288+
if err != nil {
289+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from Encrypt: %s\n", err)
290+
return
291+
}
292+
// Since Encrypt is a randomized function, result will be
293+
// different each time.
294+
fmt.Printf("%s\n", hex.EncodeToString(ciphertext))
295+
}
296+
297+
298+
func ExampleEncryptPrivateKey_Decrypt() {
299+
// real user encrypt private key should be from secret storage.
300+
kb, _ := hex.DecodeString("038182000494736acd2c8c8796cc4785e938301a139a059d3537b6414140b2d31eecf41683115bae85f5d8bc6c3dbd9e5342979acccf3c2f4f28420b1cb4f8c0b59a19b1587aa5e47570da7600cd760a0cf7beaf71c447f3844753fe74fa7ba92ca7d3b55f27538a62e7f7bfb51dce08704796d94c9d56734f119ea44732b50e31cdeb75c1")
301+
userKey := new(sm9.EncryptPrivateKey)
302+
err := userKey.UnmarshalASN1(kb)
303+
if err != nil {
304+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from UnmarshalASN1: %s\n", err)
305+
return
306+
}
307+
uid := []byte("Bob")
308+
cipherDer, _ := hex.DecodeString("307f020100034200042cb3e90b0977211597652f26ee4abbe275ccb18dd7f431876ab5d40cc2fc563d9417791c75bc8909336a4e6562450836cc863f51002e31ecf0c4aae8d98641070420638ca5bfb35d25cff7cbd684f3ed75f2d919da86a921a2e3e2e2f4cbcf583f240414b7e776811774722a8720752fb1355ce45dc3d0df")
309+
plaintext, err := userKey.DecryptASN1(uid, cipherDer)
310+
if err != nil {
311+
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Error from Decrypt: %s\n", err)
312+
return
313+
}
314+
fmt.Printf("%s\n", plaintext)
315+
// Output: Chinese IBE standard
316+
}
317+
```
318+
319+
密文封装结果ASN.1格式请参考参考《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》。
320+
321+
SM9公钥加密算法支持多种对称加密算法，不像SM2公钥加密算法，只支持XOR。不过由于非XOR对称加密算法有几个需要IV，而规范没有定义，所以会有互操作问题，
322+
* [关于SM9 非XOR加密标准问题](https://github.com/emmansun/gmsm/discussions/112)。
323+
* 《GB/T 41389-2022 信息安全技术 SM9密码算法使用规范》6.1.5 加密数据格式。
324+
325+
## 密钥交换
326+
在这里不详细介绍使用方法，一般只有tls/tlcp才会用到，普通应用通常不会涉及这一块，请参考[API Document](https://godoc.org/github.com/emmansun/gmsm)。

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