OpenSSL国密算法：SM2、SM3、SM4的国家标准支持

OpenSSL国密算法：SM2、SM3、SM4的国家标准支持

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随着国内信息安全标准的不断完善，国密算法（国家商用密码算法）在各行业的应用越来越广泛。OpenSSL作为全球广泛使用的加密库，已全面支持SM2（椭圆曲线公钥密码算法）、SM3（密码杂凑算法）和SM4（分组密码算法）等国密标准。本文将详细介绍OpenSSL对这些算法的实现方式、使用方法及技术细节。

国密算法在OpenSSL中的实现架构

OpenSSL通过模块化的Provider机制实现国密算法支持，将算法实现与核心框架解耦。在默认Provider中，SM2/SM3/SM4算法通过以下文件组织：

• 算法注册与调度：providers/defltprov.c 定义了国密算法的注册信息，如SM2签名算法注册：

  { PROV_NAMES_SM2, "provider=default", ossl_sm2_signature_functions }
  

• 算法标识常量：providers/implementations/include/prov/names.h 定义了算法OID和名称映射：

  #define PROV_NAMES_SM2 "SM2:1.2.156.10197.1.301"
  #define PROV_NAMES_SM3 "SM3:1.2.156.10197.1.401"
  #define PROV_NAMES_SM4_ECB "SM4-ECB:1.2.156.10197.1.104.1"
  

• 硬件加速支持：通过crypto/arm_arch.h定义硬件特性标志，如ARM架构下的SM3/SM4加速：

  #define ARMV8_SM3 (1<<9)
  #define ARMV8_SM4 (1<<10)
  

SM2椭圆曲线公钥算法

SM2基于椭圆曲线密码体制，提供数字签名、密钥交换和公钥加密功能，在OpenSSL中通过以下组件实现：

核心实现

• 签名算法：providers/defltprov.c 注册SM2签名功能，使用SM3作为默认哈希算法
• 密钥管理：providers/defltprov.c 定义SM2密钥生成与处理函数
• 曲线参数：采用国家推荐的SM2椭圆曲线参数，通过crypto/ec/ec_local.h提供优化实现

使用示例

生成SM2密钥对并签名：

# 生成SM2私钥
openssl genpkey -algorithm SM2 -out sm2_priv.pem
# 生成SM2公钥
openssl pkey -in sm2_priv.pem -pubout -out sm2_pub.pem
# 使用SM2签名
openssl dgst -sm3 -sign sm2_priv.pem -out data.sig data.txt

SM3密码杂凑算法

SM3是中国自主设计的密码哈希函数，输出256位摘要值，安全性与SHA-256相当。OpenSSL实现特点包括：

实现细节

• 算法核心：crypto/sm3/sm3_local.h定义SM3常量和压缩函数：

  #define SM3_A 0x7380166fUL
  #define SM3_B 0x4914b2b9UL
  #define SM3_C 0x172442d7UL
  #define SM3_D 0xda8a0600UL
  

• 硬件加速：支持ARMv8的SM3指令扩展(crypto/sm3/sm3_local.h)和x86的AVX2优化

性能优化

通过CHANGES.md可知，OpenSSL为ARM处理器提供ASIMD指令优化，使SM3性能提升显著：

Added SM4 optimization for ARM processors using ASIMD and AES HW

SM4分组密码算法

SM4是一种分组长度和密钥长度均为128位的对称密码算法，支持多种工作模式。OpenSSL实现包括：

支持的工作模式

在providers/defltprov.c中注册了多种SM4工作模式：

• ECB (providers/implementations/ciphers/cipher_sm4.c)
• CBC (providers/implementations/ciphers/cipher_sm4.c)
• CTR、OFB、CFB (providers/implementations/ciphers/cipher_sm4.c)
• GCM (providers/implementations/ciphers/cipher_sm4_gcm.c)
• XTS (CHANGES.md新增支持)

代码结构

• 上下文结构：providers/implementations/ciphers/cipher_sm4.h定义SM4加密上下文
• 密钥调度：实现SM4密钥扩展算法，生成轮密钥
• 加解密函数：提供分组加解密核心实现

使用示例

使用SM4-GCM模式加密文件：

openssl enc -sm4-gcm -in plaintext.txt -out ciphertext.bin -k "mysecretkey"

国密算法的标准符合性

OpenSSL的国密实现遵循以下国家标准：

• SM2：GB/T 32918.1-2016《信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥密码算法 第1部分：总则》
• SM3：GB/T 32905-2016《信息安全技术 密码杂凑算法 SM3》
• SM4：GB/T 32907-2016《信息安全技术 分组密码算法 SM4》

通过CHANGES.md可查看标准符合性改进记录，如：

Fixed an SM2 Decryption Buffer Overflow ([CVE-2021-3711])

性能优化与硬件加速

OpenSSL针对国密算法提供多层次优化：

1. 汇编优化：为ARM和x86架构提供汇编实现，如CHANGES.md所述的ARM ASIMD优化
2. 硬件指令：利用CPU扩展指令，如ARMv8的SM3/SM4指令(crypto/arm_arch.h)
3. 并行处理：通过providers/implementations/ciphers/cipher_sm4_gcm_hw.c实现GCM模式并行处理

总结与展望

OpenSSL已形成完整的国密算法支持体系，从基础算法实现到硬件加速优化，全面满足国内信息安全标准要求。随着CHANGES.md中SM4-XTS等新特性的加入，OpenSSL的国密支持将持续完善。

建议开发者在使用时注意：

1. 通过openssl list -public-key-algorithms确认SM2支持状态
2. 使用-provider default显式指定国密算法提供者
3. 关注NEWS.md获取国密算法相关安全更新

OpenSSL国密算法的实现为国内开发者提供了符合国际标准的加密工具，助力构建安全可控的信息系统。

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