2020年04月29日
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这是一篇自我放飞文，因为严肃起来我啥也不懂。我就想看看，substrate 说的高度模块化，到底有多高。demo 地址：
https://github.com/hammeWang/substrate-sm2github.com[1]
Substrate 一出道的定位就是：一个高度模块化的区块链开发框架。但是 高度模块化 这五个字，就像是李佳琪口中的 "amazing" 一样：平均每 10 个口红中，就会产生 11 个 amazing.
我想用自己为数不多的知识，挑战一下 Substrate 模块化的“天花板”到底在哪里（都说有新手光环，作为一个菜鸡就应该有 就算遇到 bug 也要让 bug 后悔出现 的勇气）。所以，给自己定了一个小目标，给 substrate 新增一个签名方式：国密算法。
作为密码学小白（纯白），毫无疑问第一步是研究一下国密。
什么是国密
一言以蔽之：我国自主研发风险可控的一系列密码标准 SM 系列：包括 SM1, SM2, SM3, SM4, SM7, SM9...
其中 SM2 和 SM9 是非对称算法，SM3 是哈希算法。SM2 和 SM3 是配合使用的。
国家密码管理局关于发布《SM2 椭圆曲线公钥密码算法》公告（国密局公告第 21 号）_国家密码管理局 www.sca.gov.cn[2]
毫无疑问接下来，我需要一个轮子。这里感谢 CITA[3] 团队，已经写好了 SM2 和 SM3 的 Rust 实现。
ECC 入门
选好了算法和轮子，但是如果一点加密学的基础知识都没有的话，也是没法看懂代码的。这里推荐经典的入门系列短文：
ECC: agentle Introductionandrea.corbellini.name[4]
看完之后至少得明白以下几个概念：
- 椭圆曲线的性质以及简单的算法定义
- 有限域相关知识
- 公钥和私钥的产生以及数学表示
- 签名和验证的过程以及数学推导
只要耐心读完一遍的话，这些概念是不难懂的，完全不劝退。懂了这些点之后，就可以看懂 SM2 的代码结构了。
怎么集成 Substrate
参考了一下 Substrate 里已经集成的 ecdsa, ed25519 和 sr25519，发现模块化的天花板，果然还是比我站起来还要高几倍的：只要实现了 crypto 中的两个 trait 就可以了：Public 和 Pair。看命名就知道，一个定义了公钥相关的操作，就一个定义了公私钥对的相关操作。
具体代码在：
paritytech/substrategithub.com
理论上只要为 SM2 的公私钥实现了对应的方法，然后就没问题了。
在 Substrate 里实现 SM2 的封装
因为 SM2 和 ecdsa 比较相似，包括签名和公私钥的格式和 ECC 概念的理解，所以这里我们参考了 ecdsa 中的 Public 和 Signature 的数据类型。缩短了原型验证的时间。当然想完全重新自定义也是没有毛病的，来倾听下 bug 的内心 OS：
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“不了不了，我不飘，你也放下刀。”
我一开始很纠结要不要重新实现一遍 no-std 版本的 libsm，后来看到 substrate 中验证的逻辑都要走 #[runtime_interface]，就不纠结了。
这一步的难点在于如何把 substrate 中的新类型和 libsm 中的原有类型做相互转换，所以看懂 ECC 中的相关概念在这里就起了很大帮助。
在实现了 Public 和 Pair trait 之后，我们需要像 substrate 一样封装出一个 MultiSignature 和 MultiSigner， 这样就可以兼容不同的签名算法。
在 MultiSigner、MultiSignature 和 SM2 的 Signature 之间，如之前提到过，我们需要自定义一个 #[runtime_interface] 来帮助减少对 libsm 的修改的工作量。
在实现完 SM2 到 MultiSigner 和 MultiSignature 的封装之后，我们只需要简单的把 runtime/lib.rs 里的 MultiSignature 换成自定义类型即可。
定制 subxt 发送和验证 SM2 签名消息
这里主要是 fork 了：
paritytech/substrate-subxtgithub.com
Subxt 可以理解成给 substrate node 发送和监听交易的工具。
关于 substrate-subxt 的介绍，可以参考吴博的：
网页链接 mp.weixin.qq.com
fork 的原因主要是以下两点：
- 会出现依赖版本不一致的冲突；
- substrate-subxt 中对 substrate 里原生的
MultiSignature耦合很紧，必须魔改了才可以用
如果 subxt 可以用 SM2 中的方法签名并且交易执行成功，那我们的原型就基本可行了。这里我们就测试一下基本的 balances.transfer 的方法。
这里需要注意一下的是，操作转账的账户里得有足够的余额，所以我们需要先在 node/hide/chain_spec.rs 里为我们的信仰（账户）充值。
在 Subxt 里只要把 signer 和 dest 修改成 SM2 中的相关类型就可以了 (signer 必须有余额)。
魔改之后，只需要启动 node-template --dev 之后，再执行 subxt 中的 main 就可以了。这时如果成功，交易发送和验证执行成功，控制台就会出现：
Balance transfer success: value: 10000
有待提高
虽然 SM2 和 ecdsa 原理很相似，但是最大的不同是 SM2 没办法从签名 recover 出公钥，这就意味着在验证的时候，我们要不然就得把全局变量 AccountId32 改成 AccountId33 （33bytes），但是这样就和 Substrate 的地址格式会冲突，详见：
https://github.com/paritytech/substrate/wiki/External-Address-Format-(SS58)github.com
要不然我们就得把 33bytes 的公钥压缩成 32 位。
如果修改 AccoutId32，等待我们的将是巨大的工作量，所以在理解了公钥的字段含义，这里选择了牺牲性能，每笔交易做了两次验证。
写在最后
作为加密学小白，并且在完全不用理解 Substrate 中消息的发送和验证环节的情况下，我们还是简单地实现了 SM2 的集成，奇迹的背后貌似只有【高度模块化】这个答案了。感谢新手光环~！
期待可以看到社区中更加魔幻的作品。
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友情提醒，不要直接用于生产环境。
demo 地址：
https://github.com/hammeWang/substrate-sm2github.com[5]
特别鸣谢
@ 金晓 [6]
关于 substrate std 和 no-std 边界的深刻分析，这里推荐金晓的：
金晓：Substrate 入门 - Runtime 的 wasm 与 native -（九）
@ 冯力全 [7]
时机绝佳的资料推荐，wink~
声明：本文经作者「王大锤」授权，转载自知乎专栏「Substrate 101」，原文 https://zhuanlan.zhihu.com/p/134138900
参考资料
[1]
[2]
国家密码管理局关于发布《SM2 椭圆曲线公钥密码算法》公告（国密局公告第 21 号）国家密码管理局 www.sca.gov.cn:_https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.sca.gov.cn/sca/xxgk/2010-12/17/content_1002386.shtml
[3]
CITA:https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/citahub/libsm
[4]
ECC: agentle Introductionandrea.corbellini.name:https://link.zhihu.com/?target=https%3A//andrea.corbellini.name/2015/05/17/elliptic-curve-cryptography-a-gentle-introduction/
[5]
[6]
@ 金晓 :https://www.zhihu.com/people/cb3b97fbae2e613fba0f76e7bd23fc76
[7]
@ 冯力全 :https://www.zhihu.com/people/aa86e9f179d6f1448781aed6027a81c9
- 欢迎学习 Substrate:
- 关注 Substrate 进展 :
https://github.com/paritytech/substrate
- 关注 Polkadot 进展 :
https://github.com/paritytech/polkadot
- 申请 Bootcamp:
https://bootcamp.web3.foundation/
更多内容：
Substrate VS Smart Contracts 1
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