sm-py-bc 0.1.9
SM2/SM3/SM4 implementation in Python based on Bouncy Castle
License: MIT
Requires Python: >=3.10
Keywords: sm2, sm3, sm4, cryptography, chinese-crypto, gm-crypto, bouncy-castle

# SM-PY-BC: 纯 Python 国密算法库

**完整、生产就绪的中国国家密码算法标准（SM2、SM3、SM4）纯 Python 实现，零外部依赖。**

[![CI](https://github.com/lihongjie0209/sm-py-bc/actions/workflows/ci.yml/badge.svg)](https://github.com/lihongjie0209/sm-py-bc/actions/workflows/ci.yml)
[![PyPI](https://img.shields.io/pypi/v/sm-py-bc.svg)](https://pypi.org/project/sm-py-bc/)
[![Python 3.10+](https://img.shields.io/badge/python-3.10+-blue.svg)](https://www.python.org/downloads/)
[![License: MIT](https://img.shields.io/badge/License-MIT-yellow.svg)](LICENSE)
[![Tests: 200+ Passing](https://img.shields.io/badge/tests-200%2B%20passing-brightgreen.svg)](tests/)

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## 🎯 特性

### ✅ 完整的国密算法套件

**SM2 - 公钥密码算法** (GM/T 0003-2012)
- 数字签名（签名/验签）
- 公钥加密/解密
- SM2 推荐曲线上的椭圆曲线运算
- 符合中国国家标准

**SM3 - 密码杂凑算法** (GM/T 0004-2012)
- 256 位哈希输出
- Memoable 接口支持高效增量哈希
- 完全符合规范

**SM4 - 分组密码算法** (GB/T 32907-2016)
- 128 位分组，128 位密钥
- 32 轮 Feistel 结构
- 5 种加密模式：ECB、CBC、CTR、OFB、CFB
- 4 种填充方案：PKCS#7、ISO 7816-4、ISO 10126、Zero-byte

### 🔒 安全特性

- **零外部依赖** - 纯 Python 完整密码学实现
- **抗侧信道攻击** - 在适用的地方使用常量时间运算
- **测试充分** - 200+ 综合单元测试（100% 通过）
- **符合标准** - 遵循官方中国密码学标准

### 🚀 易用的高层 API

```python
from sm_bc.crypto.cipher import create_sm4_cipher

# 使用推荐设置进行简单加密
cipher = create_sm4_cipher(mode='CBC', padding='PKCS7')
cipher.init(True, key, iv)
ciphertext = cipher.encrypt(plaintext)

# 解密
cipher.init(False, key, iv)
plaintext = cipher.decrypt(ciphertext)
```

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## 📦 安装

```bash
# 从 PyPI 安装（推荐）
pip install sm-py-bc

# 或从 GitHub 克隆
git clone https://github.com/lihongjie0209/sm-py-bc.git
cd sm-py-bc
pip install -e .

# 无需额外依赖！
# 只需要 Python 3.10 或更高版本
```

验证安装:
```python
import sm_bc
print(sm_bc.__version__)  # 0.1.0
```

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## 🔧 快速开始

### SM4 对称加密

```python
from sm_bc.crypto.cipher import create_sm4_cipher
import secrets

# 生成随机密钥和 IV
key = secrets.token_bytes(16)  # 128 位密钥
iv = secrets.token_bytes(16)   # 128 位 IV

# 使用 CBC 模式和 PKCS#7 填充创建密码器（推荐）
cipher = create_sm4_cipher(mode='CBC', padding='PKCS7')

# 加密
cipher.init(True, key, iv)
plaintext = b"Hello, SM4 encryption!"
ciphertext = cipher.encrypt(plaintext)

# 解密
cipher.init(False, key, iv)
decrypted = cipher.decrypt(ciphertext)

assert plaintext == bytes(decrypted)
```

### SM3 密码杂凑

```python
from sm_bc.crypto.digests import SM3Digest

# 创建摘要
digest = SM3Digest()

# 哈希数据
data = b"Hello, SM3!"
digest.update(data, 0, len(data))

# 获取哈希输出（32 字节 / 256 位）
hash_output = bytearray(32)
digest.do_final(hash_output, 0)

print(f"SM3 哈希: {hash_output.hex()}")
```

### SM2 数字签名

```python
from sm_bc.crypto.signers import SM2Signer
from sm_bc.crypto.params.ec_key_parameters import ECPrivateKeyParameters, ECPublicKeyParameters
from sm_bc.math.ec_curve import SM2P256V1Curve
import secrets

# 生成密钥对
curve = SM2P256V1Curve()
d = secrets.randbelow(curve.n)  # 私钥
public_key = curve.G.multiply(d)  # 公钥

# 创建签名器
signer = SM2Signer()

# 签名消息
message = b"Message to sign"
priv_params = ECPrivateKeyParameters(d, curve.domain_params)
signer.init(True, priv_params)
signature = signer.generate_signature(message)

# 验证签名
pub_params = ECPublicKeyParameters(public_key, curve.domain_params)
signer.init(False, pub_params)
is_valid = signer.verify_signature(message, signature)

print(f"签名有效: {is_valid}")
```

### SM2 加密/解密

```python
from sm_bc.crypto.engines import SM2Engine
from sm_bc.crypto.params.ec_key_parameters import ECPrivateKeyParameters, ECPublicKeyParameters
from sm_bc.math.ec_curve import SM2P256V1Curve
import secrets

# 生成密钥对
curve = SM2P256V1Curve()
d = secrets.randbelow(curve.n)
public_key = curve.G.multiply(d)

# 创建引擎
engine = SM2Engine()

# 加密
plaintext = b"Secret message"
pub_params = ECPublicKeyParameters(public_key, curve.domain_params)
engine.init(True, pub_params)
ciphertext = engine.process_block(plaintext, 0, len(plaintext))

# 解密
priv_params = ECPrivateKeyParameters(d, curve.domain_params)
engine.init(False, priv_params)
decrypted = engine.process_block(ciphertext, 0, len(ciphertext))

assert plaintext == bytes(decrypted)
```

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## 📚 文档

### 支持的加密模式

| 模式 | 描述 | 需要 IV | 需要填充 | 使用场景 |
|------|------|---------|----------|----------|
| **CBC** | 密码分组链接 | ✅ 是 | ✅ 是 | 通用加密（推荐） |
| **CTR** | 计数器模式 | ✅ 是 | ❌ 否 | 流密码，任意长度 |
| **OFB** | 输出反馈 | ✅ 是 | ❌ 否 | 流密码，简单 |
| **CFB** | 密文反馈 | ✅ 是 | ❌ 否 | 自同步 |
| **ECB** | 电子密码本 | ❌ 否 | ✅ 是 | ⚠️ 不推荐（不安全） |

### 支持的填充方案

| 填充 | 描述 | 可靠 | 标准 |
|------|------|------|------|
| **PKCS#7** | 标准填充 | ✅ 是 | RFC 5652（推荐） |
| **ISO 7816-4** | 智能卡填充 | ✅ 是 | ISO/IEC 7816-4 |
| **ISO 10126** | 随机填充 | ✅ 是 | ISO/IEC 10126（已弃用） |
| **Zero-byte** | 简单零填充 | ❌ 否 | 仅用于兼容 |

### 安全建议

✅ **推荐做法**:
- 使用 CBC 或 CTR 模式进行通用加密
- 对于块模式始终使用 PKCS#7 填充
- 为每次加密操作生成唯一的 IV
- 使用密码学安全的随机数生成器
- 保护好私钥，永远不要硬编码

❌ **避免做法**:
- 使用 ECB 模式（会暴露明文模式）
- 使用相同密钥重复使用 IV
- 使用零字节填充（不可靠）
- 以明文形式存储密钥

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## 🧪 测试

运行综合测试套件:

```bash
# 运行所有测试
pytest tests/unit/

# 运行特定算法测试
pytest tests/unit/test_sm2_engine.py
pytest tests/unit/test_sm3_digest.py
pytest tests/unit/test_sm4_engine.py

# 带覆盖率报告运行
pytest --cov=sm_bc tests/unit/
```

**测试覆盖**:
- 200+ 单元测试（100% 通过）
- SM2: 29 个测试（加密、签名、密钥操作）
- SM3: 18 个测试（哈希、memoable 接口）
- SM4: 18 个测试（分组密码操作）
- 密码模式: 60 个测试（CBC、CTR、OFB、CFB）
- 填充: 40 个测试（所有方案、边界情况）

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## 📁 项目结构

```
sm-py-bc/
├── src/sm_bc/              # 主要源代码
│   ├── crypto/             # 密码学实现
│   │   ├── digests/        # SM3 哈希函数
│   │   ├── engines/        # SM2、SM4 引擎
│   │   ├── signers/        # SM2 签名器
│   │   ├── modes/          # 密码模式（CBC、CTR、OFB、CFB）
│   │   ├── paddings/       # 填充方案
│   │   ├── params/         # 密码学参数
│   │   └── cipher.py       # 高层密码接口
│   ├── math/               # 椭圆曲线数学
│   └── util/               # 工具类
├── tests/                  # 综合测试套件
│   └── unit/              # 所有组件的单元测试
├── examples/               # 使用示例和演示
├── docs/                   # 附加文档
│   └── process/           # 开发过程文档
└── pyproject.toml         # 项目配置
```

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## 🔬 示例

查看 `examples/` 目录获取完整的工作示例:

- `sm4_comprehensive_demo.py` - 展示所有 SM4 特性
- `test_sm2_engine_demo.py` - SM2 加密示例
- `test_sm3_demo.py` - SM3 哈希示例
- `test_cbc_demo.py` - CBC 模式示例
- `test_ctr_demo.py` - CTR 模式示例
- `test_padding_demo.py` - 填充方案示例

运行任何示例:
```bash
python examples/sm4_comprehensive_demo.py
```

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## 🎓 技术细节

### 实现方法

**纯 Python** - 所有密码学操作从头实现:
- 无外部密码学库
- 仅使用 Python 标准库
- 完全可审计和透明

**基于参考实现** - 从可信实现移植:
- 主要参考: [sm-js-bc](https://github.com/lihongjie0209/sm-js-bc) (TypeScript)
- 次要参考: Bouncy Castle Java 实现
- 保持与参考实现的兼容性

**符合标准**:
- SM2: GM/T 0003-2012（基于椭圆曲线的公钥密码算法）
- SM3: GM/T 0004-2012（密码杂凑算法）
- SM4: GB/T 32907-2016（分组密码算法）

### 性能说明

这是一个专注于正确性和安全性而非原始性能的纯 Python 实现。对于需要高吞吐量的生产应用:

- 在可用时考虑使用硬件加速
- 对关键路径使用原生实现（C/C++）
- 此库非常适合开发、测试和需要纯 Python 的应用

**典型性能**（现代硬件上的 Python 3.10+）:
- SM3 哈希: ~5-10 MB/s
- SM4 加密: ~1-5 MB/s
- SM2 操作: ~100-500 ops/s

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## 🤝 贡献

欢迎贡献！请:

1. Fork 仓库
2. 创建特性分支
3. 为新功能添加测试
4. 确保所有测试通过
5. 提交 pull request

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## 📄 许可证

MIT 许可证 - 查看 [LICENSE](LICENSE) 文件了解详情。

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## 🙏 致谢

- 基于 [sm-js-bc](https://github.com/lihongjie0209/sm-js-bc) (TypeScript) 的参考实现
- 受 Bouncy Castle 密码学库启发
- 实现中国国家密码学标准

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## ⚖️ 法律声明

本软件实现中国国家密码学标准。用户有责任遵守其管辖范围内适用的出口管制法律法规。

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## 📞 支持

- **Issues**: [GitHub Issues](https://github.com/lihongjie0209/sm-py-bc/issues)
- **文档**: [完整文档](https://github.com/lihongjie0209/sm-py-bc/tree/master/docs)
- **示例**: [示例目录](https://github.com/lihongjie0209/sm-py-bc/tree/master/examples)

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**用 ❤️ 为密码学社区制作**

*生产就绪 • 测试充分 • 符合标准 • 纯 Python*