GMLib

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1 基本介绍

一句话介绍：GMLib是一个基于C++17的高性能国密算法库，支持国密SM2、SM3、SM4、SM9

目前支持的密码算法为：

• 对称密码：AES、Ballet、DES、SM4、uBlock
• 哈希算法：MD5、SHA1、SM3、GHASH
• 公钥密码：SM2、SM9

1.1 开发密码库GMLib的初衷

娱乐，just for fun

1.2 密码库GMLib的优点

性能高效且跨平台、功能完备且易拓展

a. 性能高效且跨平台

为AES、SM2、SM3、SM4、SM9进行了x86_64平台的优化实现

在Windows平台和Linux平台均通过测试

• 测试CPU平台：12th Gen Intel(R) Core(TM) i5-12500H

• 测试OS平台：Windows 11

算法	性能	:-:	算法	性能
AES-128	104166 Mbps	:-:	SM2-SM3签名[64字节数据]	34722 opt/s
AES-192	87719 Mbps	:-:	SM2-SM3验签[64字节数据]	10548 opt/s
AES-256	73529 Mbps	:-:	SM2-SM3加密[64字节数据]	7987 opt/s
SM4	6250 Mbps	:-:	SM2-SM3解密[64字节数据]	11876 opt/s
SM3	2216 Mbps	:-:	SM9-SM3签名[64字节数据]	1116 opt/s
:-:	:-:	:-:	SM9-SM3验签[64字节数据]	444 opt/s
:-:	:-:	:-:	SM9-SM3加密[64字节数据]	1014 opt/s
:-:	:-:	:-:	SM9-SM3解密[64字节数据]	904 opt/s

b. 功能完备且易拓展

支持SM2、SM3、SM4、SM9国密标准

容易拓展到其它密码算法的工作模式（ECB、CBC、...）、消息认证码（HMAC）等，因为使用了C++的模板技术，并且仅依赖C++标准库

2 快速开始

本项目在 Windows 11 和 WSL-Ubuntu 22.04.3 TLS 平台上通过测试。

平台	处理器	编译器
Windows 11	12th Gen Intel(R) Core(TM) i5-12500H	Microsoft (R) C/C++ 优化编译器 19.40.33811 版
WSL-Ubuntu 22.04.3 TLS	12th Gen Intel(R) Core(TM) i5-12500H	gcc (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04) 11.4.0

2.1 快速构建

本项目使用cmake构建

step1：测试平台支持的优化

如果不想使用针对处理器平台的优化，可以跳过这一步

如果处理器平台是x86_64，可以使用tools/cpuid.py脚本测试平台支持的优化，运行下述命令来编译并执行脚本

python cpuid.py

将得到如下所示的输出（部分输出结果省略）

add_definitions(-DCPU_FLAG_CPU_FLAG_AES)
add_definitions(-DCPU_FLAG_CPU_FLAG_AVX2)
add_definitions(-DCPU_FLAG_CPU_FLAG_BMI2)
...
set(PROJECT_COMPILE_OPTIONS -maes -mavx2 ...)

将上述内容添加至CMakeLists.txt文件中，文件中有说明添加的具体位置

step2：编译

• Windows平台

cd gmlib
mkdir build
cd build
cmake ..
cmake --build . --config=Release

• Linux平台

cd gmlib
mkdir build
cd build
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build .

step3：测试

以Windows平台为例，将在Release文件夹生成sm2_test.exe、sm3_test.exe、sm4_test.exe等多个测试文件

• 执行下述命令测试SM2算法正确性

Release/sm2_test.exe

• 执行下述命令测试SM2算法正确性和性能

Release/sm2_test.exe speed

2.2 使用

很遗憾，目前本项目只能采用静态库的方式进行使用，后续会支持通过动态库的调用。

• Windows平台：按照2.1的流程，将在build\Release文件夹下得到名为gmlib_static.lib的静态库文件
• Linux平台：按照2.1的流程，将在build文件夹下得到名为libgmlib_static.a的静态库文件

step1：作为教程，创建如下的目录结构

目录包含include、lib和src三个目录：include目录中存放gmlib库的头文件，直接从该项目源码中拷贝即可；lib目录中存放gmlib库的静态库文件；src目录存放教程项目的源代码。

+---include
|   \---gmlib
|
+---lib
|       gmlib_static.lib  [in windows]
|       libgmlib_static.a [in linux]
|
\---src
        main.cpp

step2：打印编译时使用的编译器宏

在src/main.cpp中写入如下内容。因为gmlib项目使用了大量模板编程，部分模板类需要通过宏定义来确定调用的函数，因而需要先通过gmlib_print_config_def函数打印编译时使用的编译器宏。否则，将会产生链接错误。

#include <gmlib/info.h>

int main()
{
    gmlib_print_config_def();
    return 0;
}

之后执行编译命令

• Windows 平台：使用MSVC的 CL 工具，/I表示添加头文件路径，/Zl表示省略默认库名，/std:c++17表示使用c++17

CL src\main.cpp  lib\gmlib_static.lib /I include /Zl /std:c++17

.\main.exe

• Linux 平台

g++ src/main.cpp lib/libgmlib_static.a -I include -std=c++17 -o main.x

./main.x

将会输出需要提前预定义的宏，下面是一个例子

#define CPU_FLAG_AES
#define CPU_FLAG_AVX2
#define CPU_FLAG_BMI2
#define CPU_FLAG_MOVBE
#define CPU_FLAG_PCLMUL
#define CPU_FLAG_RDRAND
#define CPU_FLAG_RDSEED
#define CPU_FLAG_SHA
#define CPU_FLAG_SSE2
#define CPU_FLAG_SSE4_1
#define CPU_FLAG_SSSE3
#define SUPPORT_SM3_YANG15
#define SUPPORT_SM4_LANG18

为了方便，在src中新建一个gmlib_config.h文件，将上述步骤输出的内容写成头文件的形式

#ifndef GMLIB_CONFIG_H
#define GMLIB_CONFIG_H

#define CPU_FLAG_AES
#define CPU_FLAG_AVX2
#define CPU_FLAG_BMI2
#define CPU_FLAG_MOVBE
#define CPU_FLAG_PCLMUL
#define CPU_FLAG_RDRAND
#define CPU_FLAG_RDSEED
#define CPU_FLAG_SHA
#define CPU_FLAG_SSE2
#define CPU_FLAG_SSE4_1
#define CPU_FLAG_SSSE3
#define SUPPORT_SM3_YANG15
#define SUPPORT_SM4_LANG18

#endif

step3：正式使用gmlib库

接着，修改src/main.cpp，在引入gmlib的头文件前添加上述打印的编译器宏，并以gmlib/demo/sm2/sm2_cipher.cpp为例。

#ifndef GMLIB_CONFIG_H
#include "gmlib_config.h"
#endif

#include <gmlib/memory_utils/memdump.h>
#include <gmlib/rng/std_rng.h>
#include <gmlib/sm2/sm2.h>
#include <gmlib/sm3/sm3.h>

#include <iostream>
#include <memory>

#define log(msg) std::printf("[%d]: %s\n", __LINE__, msg)

constexpr int MSG_SIZE = 64;

int main()
{
    log("sm2-sm3 sign demo begin");

    sm2::SM2PrivateKey<sm3::SM3> priv_key;
    sm2::SM2PublicKey<sm3::SM3>  pub_key;
    rng::StdRng                  rng;

    std::uint8_t msg[MSG_SIZE];
    std::uint8_t ct[1024], pt[1024];
    std::size_t  ct_len, pt_len;
    std::uint8_t data_pub_x[32], data_pub_y[32], data_priv[32];

    log("generate random private key");
    priv_key.gen_priv(rng);
    priv_key.get_priv(data_priv);
    memory_utils::memdump(data_priv, sizeof(data_priv));

    log("fetch public key");
    pub_key = priv_key.fetch_pub();
    pub_key.get_pub(data_pub_x, data_pub_y);
    log("public key - x");
    memory_utils::memdump(data_pub_x, sizeof(data_pub_x));
    log("public key - y");
    memory_utils::memdump(data_pub_y, sizeof(data_pub_y));

    log("rand msg");
    rng.gen(msg, MSG_SIZE);
    memory_utils::memdump(msg, MSG_SIZE);

    // store data_pub_x[32], data_pub_y[32], data_priv[32] to some place

    log("encrypt");
    pub_key.set_pub(data_pub_x, data_pub_y);
    if (sizeof(ct) < pub_key.ciphertext_len(msg, sizeof(msg)))
    {
        log("err");
        return -1;
    }
    pub_key.encrypt(ct, &ct_len, msg, sizeof(msg), rng);
    memory_utils::memdump(ct, ct_len);

    log("decrypt");
    priv_key.set_priv(data_priv);
    if (sizeof(pt) < priv_key.plaintext_len(ct, ct_len))
    {
        log("err");
        return -1;
    }
    priv_key.decrypt(pt, &pt_len, ct, ct_len);
    memory_utils::memdump(pt, pt_len);

    log("sm2-sm3 sign demo end");
    return 0;
}

之后执行编译命令

• Windows 平台

CL src\main.cpp  lib\gmlib_static.lib /I include /Zl /std:c++17

.\main.exe

• Linux 平台：在这次的示例中，仅需要额外添加-mavx2的编译参数。具体需要额外添加哪些编译参数，和CMakeLists.txt文件中PROJECT_COMPILE_OPTIONS的值一致。

g++ src/main.cpp lib/libgmlib_static.a -I include -std=c++17 -o main.x -mavx2

./main.x

将会输出计算结果，下面是一个例子

[19]: sm2-sm3 sign demo begin
[30]: generate random private key
82 91 75 1d 3e cf 97 57 27 a0 f8 1b 1b b7 77 11    ..u.>..W'.....w.
2f 6f 30 91 4b 24 bb cc 75 b7 be 8d 41 7d 92 a1    /o0.K$..u...A}..
[35]: fetch public key
[38]: public key - x
26 f8 fe ab 8b 27 64 38 d4 86 13 fc f0 bd a1 97    &....'d8........
1c 47 61 a3 8c 14 3b a5 da 0a f4 da 16 21 fb 8a    .Ga...;......!..
[40]: public key - y
a2 57 31 df e4 aa c9 56 80 8a 39 d9 c8 14 23 f7    .W1....V..9...#.
a2 0d b2 ad c8 18 75 9f 5b 7d 82 1f 9b 36 d2 32    ......u.[}...6.2
[43]: rand msg
4d 5b 2d 42 b0 4b d1 e4 1a c9 11 28 90 40 c4 d9    M[-B.K.....(.@..
eb 49 17 5e ac 2d 41 20 17 b8 76 a4 ec 17 10 f3    .I.^.-A ..v.....
de d3 27 01 c0 7f b4 85 3d 0a 2a 3e f4 31 24 65    ..'.....=.*>.1$e
8e 8f 5e 71 a9 78 85 bd 78 58 c7 b4 bd 26 32 fc    ..^q.x..xX...&2.
[49]: encrypt
04 62 e2 95 9b db 46 25 40 29 3f cb 84 4a 43 f2    .b....F%@)?..JC.
9b 5d 0f 0e 5a 3a e0 32 bf 01 27 3a 74 30 bb 66    .]..Z:.2..':t0.f
e6 68 46 e3 19 55 d5 5b 52 6a e1 89 35 99 12 91    .hF..U.[Rj..5...
00 89 b3 d2 26 43 5d e9 35 f5 de ef 60 96 aa 95    ....&C].5...`...
5d 3d 64 54 55 87 28 19 d9 68 a7 51 5b 5a c6 da    ]=dTU.(..h.Q[Z..
e5 ef db a6 26 ed a3 e4 a6 73 7e 36 ac 5b 2a 93    ....&....s~6.[*.
1e 73 4a 05 75 0e d5 44 81 62 1c c8 c2 7b b7 67    .sJ.u..D.b...{.g
0c f3 ff 5f df 5b 14 5f f5 50 ef 17 2c 29 62 5b    ..._.[._.P..,)b[
de ae 57 a5 95 09 87 a0 72 e6 ea 5a 09 a2 c9 f4    ..W.....r..Z....
6e b6 9c 15 88 f8 d8 81 25 13 d8 29 e1 a0 9b 87    n.......%..)....
09                                                 .
[59]: decrypt
4d 5b 2d 42 b0 4b d1 e4 1a c9 11 28 90 40 c4 d9    M[-B.K.....(.@..
eb 49 17 5e ac 2d 41 20 17 b8 76 a4 ec 17 10 f3    .I.^.-A ..v.....
de d3 27 01 c0 7f b4 85 3d 0a 2a 3e f4 31 24 65    ..'.....=.*>.1$e
8e 8f 5e 71 a9 78 85 bd 78 58 c7 b4 bd 26 32 fc    ..^q.x..xX...&2.
[69]: sm2-sm3 sign demo end

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