SM9 算法

一、简介

SM9 是由中国国家密码管理局发布的商用密码标准，属于基于身份的标识密码算法（IBC）。
它的核心特点是身份即公钥。用户的公钥可以直接从手机号、邮箱或身份证号等唯一标识中推导出来，彻底省去了传统 PKI 体系中复杂的数字证书申请和管理环节。

核心工作原理

SM9 的数学基础是椭圆曲线上的双线性对映射，其运行机制主要包含以下三个关键点：

  1. 密钥生成中心（KGC）：系统中存在一个受信任的中心，负责保管系统主私钥。
  2. 私钥下发：当用户加入时，KGC 利用主私钥和用户的身份标识（ID），计算出唯一的用户私钥并安全下发。
  3. 无感加密与验签：发送方只需知道接收方的 ID，结合系统公开参数就能完成加密；验证方也可以直接用发送方的 ID 验证数字签名，全程无需交换证书。

相比传统密码体制的优势

  1. 极简密钥管理：不需要维护庞大的数字证书库，也免去了证书更新、吊销列表（CRL）查询等繁琐流程。
  2. 部署成本极低：通信双方无需预先交换公钥证书，直接通过对方已知的标识即可建立安全通信通道。
  3. 轻量化适配：由于去除了证书处理的开销，非常契合计算和存储资源受限的终端设备。

典型应用场景

  1. 物联网（IoT）安全：海量传感器或智能终端可直接使用设备 ID 作为标识，解决大规模设备接入时的认证和通道加密难题。
  2. 政务与企业办公：在电子政务内网或大型企业中，员工可用工号直接登录系统或签署电子公文，实现“一网通办”与统一身份认证。
  3. 安全电子邮件：直接使用对方的电子邮箱地址作为公钥进行邮件加密，无需事先获取对方的数字证书。
  4. 区块链隐私保护：利用 SM9 构造可链接环签名，可在保障交易可追溯的前提下，有效隐藏交易双方的地址隐私。

二、安装GmSSL

GmSSL
或者wget直接下载源码包。我这边已经liunx x86 系统案例为安装
wget https://github.com/guanzhi/GmSSL/releases/download/v3.2.0/GmSSL-3.2.0-Linux-x86_64.tar.gz

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tar -zxvf  GmSSL-3.2.0-Linux-x86_64.tar.gz

cd  GmSSL-3.2.0-Linux-x86_64/bin

cp gmssl /usr/local/bin/

##验证
gmssl version

##输出 GmSSL 3.2.0

## 选择秘钥文件存放目录 （这个自己决定）

mkdir /usr/local/gmssl

SM9签名秘钥生成

SM9 数字签名全流程示意图

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│     KGC       │
│ (密钥生成中心) │
└───────────────┘
        │ 1. sm9setup
        ▼
┌───────────────┐      ┌───────────────┐
│ 主私钥 master │      │ 主公钥 mpk    │
│ msk.pem       │      │ mpk.pem       │
│ （绝对保密）   │      │ （公开分发）   │
└───────────────┘      └───────────────┘
        │ 2. sm9keygen -id bob@company
        ▼
┌───────────────────────┐
│ Bob 的签名私钥         │
│ bob_sign.pem          │
│ （仅 Bob 持有）        │
└───────────────────────┘

──────────── 实际业务阶段 ────────────

Bob                             Verifier（任何人）
│                               │
│ 3. sm9sign                    │
│ -id bob@company               │
│ -key bob_sign.pem             │
│──────────────────────────────▶│
│                               │ 4. sm9verify
│                               │ -id bob@company
│                               │ -pubkey mpk.pem
│                               │
│                               ▼
│                        ✅ 验签成功

一、生成 SM9 签名主密钥对

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cd /usr/local/gmssl/sign

# 签名主密钥  
# 该命令完成 SM9 KGC（密钥生成中心）初始化，生成签名场景下的主密钥对。
# 会在 /usr/local/gmssl/sign 目录下 生成  sm9_sign_msk.pem 与  sm9_sign_mpk.pem 文件
gmssl sm9setup -alg sm9sign  -pass 123456 -out sm9_sign_msk.pem -pubout sm9_sign_mpk.pem

参数 含义
sm9setup SM9 系统初始化接口，用于生成主密钥对（Master Key Pair）。
-alg sm9sign 指定算法用途为 SM9 数字签名。可选值还有 sm9enc（加密）、sm9exchange（密钥交换）。
-pass 123456 设置主私钥 PEM 文件的加密口令，用于对生成的 sm9_sign_msk.pem进行对称加密保护。（123456 是可以定义的）
-out sm9_sign_msk.pem 输出的 SM9 主私钥文件（Master Secret Key）。必须严格保密，不能泄露。
-pubout sm9_sign_mpk.pem 输出的 SM9 主公钥文件（Master Public Key）。可公开分发，用于用户私钥生成或验签。

二、为用户生成 SM9 签名私钥

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cd /usr/local/gmssl/sign

# 用户生成 SM9 签名私钥 
# KGC 使用主私钥，根据用户 ID bob@company，生成 Bob 的 SM9 签名私钥。
# 会在 /usr/local/gmssl/sign 目录下 生成  bob_sign.pem 用户签名私钥文件
gmssl sm9keygen -alg sm9sign     -in sm9_sign_msk.pem  -inpass 123456   -id bob@company     -out bob_sign.pem    -outpass 123456

参数 含义
sm9keygen SM9 用户私钥生成命令（由 KGC 执行）。
-alg sm9sign 指定生成的是 SM9 签名私钥，必须与 sm9setup使用的算法一致。
-in sm9_sign_msk.pem 输入 SM9 主私钥文件，用于派生用户私钥。
-inpass 123456 主私钥 PEM 文件的解密口令，与 sm9setup -pass对应。
-id bob@company 用户的 身份标识（ID）。SM9 中公钥 = ID，私钥由主私钥 + ID 派生。ID 可以是邮箱、手机号、证书序列号等字符串。
-out bob_sign.pem 输出的 用户签名私钥文件（Bob 的签名私钥）。
-outpass 123456 对用户私钥 PEM 文件进行加密保护的口令。

三、SM9 中的关键概念对照

概念 对应文件/参数
主私钥（KGC 私钥） sm9_sign_msk.pem
主公钥（系统公钥） sm9_sign_mpk.pem
用户身份 -id bob@company
用户私钥 bob_sign.pem
用户“公钥” 不需要单独文件，就是 ID（bob@company）

四、后续常见操作示例（补充）

1️⃣ 使用 Bob 私钥签名

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gmssl sm9sign  -in message.txt -key bob_sign.pem -pass 123456 -out sig.der
## 即会生成  sig.der 文件

2️⃣ 使用主公钥验签

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gmssl sm9verify -id bob@company -in message.txt -pubmaster sm9_sign_mpk.pem -sig sig.der
## 成功会返回  sm9verify success
SM9 签名做「身份认证 / 登录 / 签名」时
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KGC（只建一次）
 └─ sm9setup        ← 只执行【一次】，生成：
      ├─ sm9_sign_msk.pem  （主私钥，KGC 保管）
      └─ sm9_sign_mpk.pem  （主公钥，所有人可拿）

然后：
Alice  → sm9keygen -id alice@company → alice_sign.pem
Bob    → sm9keygen -id bob@company   → bob_sign.pem
Carol  → sm9keygen -id carol@company → carol_sign.pem

✔ 系统主密钥只生成 1 次​

✔ 每个需要签名/认证的人，由 KGC 生成 1 份自己的 SM9 用户签名私钥

验证方（比如登录服务器）连用户私钥都不需要，只要：

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主公钥 mpk.pem
用户ID（如 alice@company）
签名值

SM9 登录认证整体时序图

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│用户│                              │网关│                              │KGC │
│Bob │                              │Server│                              │    │
└────┘                              └────┘                              └────┘
   │                                   │                                   │
   │           1. 请求登录              │                                   │
   │---------------------------------->│                                   │
   │                                   │                                   │
   │          2. 返回随机挑战 nonce     │                                   │
   │<----------------------------------│                                   │
   │                                   │                                   │
   │ 3. 用 SM9 私钥对 nonce 签名        │                                   │
   │    sm9sign -id bob@company ...    │                                   │
   │                                   │                                   │
   │          4. 提交 ID + nonce + sig  │                                   │
   │---------------------------------->│                                   │
   │                                   │ 5. sm9verify                      │
   │                                   │    -id bob@company               │
   │                                   │    -pubkey mpk.pem               │
   │                                   │    -sig sig.der                  │
   │                                   │───────────────────────────────────│
   │                                   │                                   │
   │          6. 验签成功 → 登录成功     │                                   │
   │<----------------------------------│                                   │

五、注意事项（很重要）

主私钥 sm9_sign_msk.pem一旦泄露，整个系统安全性失效。
-pass -inpass -outpass仅用于 PEM 文件加密，不参与密码学运算。
ID 区分大小写，bob@company≠ Bob@Company。
签名与加密的主密钥不能混用，必须分别 sm9setup。

SM9 加密主密钥生成

一、生成 SM9 加密主密钥

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cd /usr/local/gmssl/encryption

##生成 SM9 标识密码（IBC）加密场景下的主密钥对：
##主私钥（Master Secret Key, MSK）
##主公钥（Master Public Key, MPK）
gmssl sm9setup -alg sm9encrypt -pass 123456 -out sm9_enc_msk.pem  -pubout sm9_enc_mpk.pem
参数 含义
sm9setup GMSSL 中用于生成 SM9 系统参数的命令
-alg sm9encrypt 指定算法用途为 SM9 加密（区别于签名 sm9sign）
-pass 123456 给生成的 主私钥文件​ 设置 PEM 加密口令（对称加密保护私钥）
-out sm9_enc_msk.pem 输出的 主私钥文件（保密，仅 KGC 持有）
-pubout sm9_enc_mpk.pem 输出的 主公钥文件（可公开，用于用户私钥生成和加密）

📌 说明

  1. 主私钥 sm9_enc_msk.pem：绝对不能泄露
  2. 主公钥 sm9_enc_mpk.pem：可以分发给所有用户
  3. -pass只是保护私钥文件的口令，不是 SM9 算法本身的密钥

二、生成用户加密私钥

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cd /usr/local/gmssl/encryption

##使用 主私钥，为身份 alice@company生成对应的 SM9 加密用户私钥。
gmssl sm9keygen -alg sm9encrypt  -in sm9_enc_msk.pem   -inpass 123456   -id alice@company   -out alice_enc.pem   -outpass 123456

参数 含义
sm9keygen 从主私钥生成用户私钥的命令
-alg sm9encrypt 指定生成的是 加密用途​ 的用户私钥
-in sm9_enc_msk.pem 输入的主私钥文件
-inpass 123456 主私钥文件的口令（与 -pass对应）
-id alice@company 用户标识（ID），SM9 的核心特性：ID = 公钥
-out alice_enc.pem 输出的用户私钥文件
-outpass 123456 给用户私钥文件设置的 PEM 加密口令

📌 关键点

  1. alice@company就是 Alice 的公钥
  2. 私钥由 KGC（掌握主私钥的一方）生成后安全下发
  3. 用户只需要：ID, 自己的私钥文件, 系统主公钥 sm9_enc_mpk.pem
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主私钥 (MSK) ──→ 生成 ──→ 用户私钥 (alice_enc.pem)
主公钥 (MPK) ─────────────→ 所有人可用
用户 ID (alice@company) ───→ 等价于公钥

四、常见补充说明

✅ SM9 是 国密标识密码算法

✅ 不需要证书，ID 即公钥

✅ 加密：sm9encrypt

✅ 签名：sm9sign（主密钥和私钥要重新生成）

❗ 主私钥一旦泄露，整个系统安全性失效

五、 SM9 加密 & 解密完整示例

  1. 环境确认

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    gmssl version

  2. 生成主密钥,用户加密私钥

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##生成主密钥
gmssl sm9setup -alg sm9encrypt -pass 123456 -out sm9_enc_msk.pem -pubout sm9_enc_mpk.pem

## 生成 Alice 的加密私钥
gmssl sm9keygen -alg sm9encrypt -in sm9_enc_msk.pem -inpass 123456 -id alice@company -out alice_enc.pem -outpass 123456
  1. 使用 Bob（或其他人）加密消息给 Alice
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## 准备明文
echo "Hello SM9 Encryption" > plaintext.txt
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## 加密（用 Alice 的 ID + 系统主公钥）
gmssl sm9encrypt -in plaintext.txt -pubmaster sm9_enc_mpk.pem -id alice@company -out ciphertext.sm9


#📌 说明：
# -pubmaster：系统主公钥
# -id：接收者 ID（就是公钥）
# 不需要 Alice 的私钥
  1. 对 Alice用户消息 解密
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    gmssl sm9decrypt  -in ciphertext.sm9 -key alice_enc.pem -id alice@company -pass 123456 -out decrypted.txt

    ## 查看结果
    cat decrypted.txt
    ## ✅ 输出应为： Hello SM9 Encryption