Java 实现 RSA 非对称加密算法的签名与验签

冷不防 2021-09-22 22:08 356阅读 0赞

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## 1. RSA 签名/验签 简介 ##

RSA 非对称加密算法，除了用来加密/解密数据外，还可以用于对数据（文件）的 **签名** 和 **验签**，可用于确认数据或文件的完整性与签名者（所有者）。

RSA 密钥对的生成与加密/解密见上一篇: [Java 实现 RSA 非对称加密算法：生成密钥对、保存/读取密钥、加密/解密][Java _ RSA]

RSA 密钥对在使用时通常:

*  加密/解密：通常使用 **私钥加密，公钥解密**。
 *  签名/验签：通常使用 **私钥签名，公钥验签**。

Android 安装包 APK 文件的签名，是 RSA 签名验签的典型应用：Android 打包后，用私钥对 APK 文件进行签名，并把公钥和签名结果放到 APK 包中。下次客户端升级 APK 包时，根据新的 APK 包和包内的签名信息，用 APK 包内的公钥验签校验是否和本地已安装的 APK 包使用的是同一个私钥签名，如果是，则允许安装升级。

## 2. RSA 签名/验签 代码实例 ##

package com.xiets.rsa;
    
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    
    import java.security.*;
    
    /** * @author xietansheng */
    public class Main { 
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            /* * 1. 先生成一对 RSA 密钥, 用于测试 */
            // 随机生成一对 RAS 密钥（包含公钥和私钥）
            KeyPair keyPair = generateKeyPair();
            // 获取 公钥 和 私钥
            PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey priKey = keyPair.getPrivate();
    
            /* * 2. 原始数据 */
            String data = "你好, World";
    
            /* * 3. 私钥签名: 对数据进行签名, 计算签名结果 */
            // 根据指定算法获取签名工具
            Signature sign = Signature.getInstance("Sha1WithRSA");
            // 用私钥初始化签名工具
            sign.initSign(priKey);
            // 添加要签名的数据
            sign.update(data.getBytes());
            // 计算签名结果（签名信息）
            byte[] signInfo = sign.sign();
            // 输出签名结果的 Base64 字符串
            System.out.println(new BASE64Encoder().encode(signInfo));
    
            /* * 4. 公钥验签: 用公钥校验数据的签名是否来自指定的私钥 */
            // 根据指定算法获取签名工具
            sign = Signature.getInstance("Sha1WithRSA");
            // 用公钥初始化签名工具
            sign.initVerify(pubKey);
            // 添加要校验的数据
            sign.update(data.getBytes());
            // 校验数据的签名信息是否正确,
            // 如果返回 true, 说明该数据的签名信息来自该公钥对应的私钥,
            // 同一个私钥的签名, 数据和签名信息一一对应, 只要其中有一点修改, 则用公钥无法校验通过,
            // 因此可以用私钥签名, 然后用公钥来校验数据的完整性与签名者（所有者）
            boolean verify = sign.verify(signInfo);
            System.out.println(verify);
        }
    
        /** * 随机生成 RSA 密钥对（包含公钥和私钥） */
        private static KeyPair generateKeyPair() throws Exception { 
            // 获取指定算法的密钥对生成器
            KeyPairGenerator gen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
            // 初始化密钥对生成器（指定密钥长度, 使用默认的安全随机数源）
            gen.initialize(2048);
            // 随机生成一对密钥（包含公钥和私钥）
            return gen.generateKeyPair();
        }
    
    }

## 2. RSA 签名/验签工具类: RSASignUtils.java ##

为了方便在代码中直接使用 RSA 签名/验签，将 RSA 签名/验签步骤封装成工具类。

`RSASignUtils.java`工具类完整代码：

package com.xiets.rsa;
    
    import java.io.*;
    import java.security.*;
    
    /** * RSA 签名验签工具类 * * @author xietansheng */
    public class RSASignUtils { 
    
        /** 秘钥对算法名称 */
        private static final String ALGORITHM = "RSA";
    
        /** 密钥长度 */
        private static final int KEY_SIZE = 2048;
    
        /** 签名算法 */
        private static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "Sha1WithRSA";
    
        /** * 随机生成 RSA 密钥对（包含公钥和私钥） */
        public static KeyPair generateKeyPair() throws Exception { 
            // 获取指定算法的密钥对生成器
            KeyPairGenerator gen = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
    
            // 初始化密钥对生成器（指定密钥长度, 使用默认的安全随机数源）
            gen.initialize(KEY_SIZE);
    
            // 随机生成一对密钥（包含公钥和私钥）
            return gen.generateKeyPair();
        }
    
        /** * 私钥签名（数据）: 用私钥对指定字节数组数据进行签名, 返回签名信息 */
        public static byte[] sign(byte[] data, PrivateKey priKey) throws Exception { 
            // 根据指定算法获取签名工具
            Signature sign = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    
            // 用私钥初始化签名工具
            sign.initSign(priKey);
    
            // 添加要签名的数据
            sign.update(data);
    
            // 计算签名结果（签名信息）
            byte[] signInfo = sign.sign();
    
            return signInfo;
        }
    
        /** * 公钥验签（数据）: 用公钥校验指定数据的签名是否来自对应的私钥 */
        public static boolean verify(byte[] data, byte[] signInfo, PublicKey pubKey) throws Exception { 
            // 根据指定算法获取签名工具
            Signature sign = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    
            // 用公钥初始化签名工具
            sign.initVerify(pubKey);
    
            // 添加要校验的数据
            sign.update(data);
    
            // 校验数据的签名信息是否正确,
            // 如果返回 true, 说明该数据的签名信息来自该公钥对应的私钥,
            // 同一个私钥的签名, 数据和签名信息一一对应, 只要其中有一点修改, 则用公钥无法校验通过,
            // 因此可以用私钥签名, 然后用公钥来校验数据的完整性与签名者（所有者）
            boolean verify = sign.verify(signInfo);
    
            return verify;
        }
    
        /** * 私钥签名（文件）: 用私钥对文件进行签名, 返回签名信息 */
        public static byte[] signFile(File file, PrivateKey priKey) throws Exception { 
            // 根据指定算法获取签名工具
            Signature sign = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    
            // 用私钥初始化签名工具
            sign.initSign(priKey);
    
            InputStream in = null;
    
            try { 
                in = new FileInputStream(file);
    
                byte[] buf = new byte[1024];
                int len = -1;
    
                while ((len = in.read(buf)) != -1) { 
                    // 添加要签名的数据
                    sign.update(buf, 0, len);
                }
    
            } finally { 
                close(in);
            }
    
            // 计算并返回签名结果（签名信息）
            return sign.sign();
        }
    
        /** * 公钥验签（文件）: 用公钥校验指定文件的签名是否来自对应的私钥 */
        public static boolean verifyFile(File file, byte[] signInfo, PublicKey pubKey) throws Exception { 
            // 根据指定算法获取签名工具
            Signature sign = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
    
            // 用公钥初始化签名工具
            sign.initVerify(pubKey);
    
            InputStream in = null;
    
            try { 
                in = new FileInputStream(file);
    
                byte[] buf = new byte[1024];
                int len = -1;
    
                while ((len = in.read(buf)) != -1) { 
                    // 添加要校验的数据
                    sign.update(buf, 0, len);
                }
    
            } finally { 
                close(in);
            }
    
            // 校验签名
            return sign.verify(signInfo);
        }
    
        private static void close(Closeable c) { 
            if (c != null) { 
                try { 
                    c.close();
                } catch (IOException e) { 
                    // nothing
                }
            }
        }
    
    }

`RSASignUtils`类中主要有以下几个公开静态方法：

// 生成 RSA 秘钥对（包含公钥和私钥）
    KeyPair generateKeyPair()
    
    // 私钥签名（数据）
    byte[]  sign(byte[] data, PrivateKey priKey)
    // 公钥验签（数据）
    boolean verify(byte[] data, byte[] signInfo, PublicKey pubKey)
    
    // 私钥签名（文件）
    byte[]  signFile(File file, PrivateKey priKey)
    // 公钥验签（文件）
    boolean verifyFile(File file, byte[] signInfo, PublicKey pubKey)

工具类的使用：

package com.xiets.rsa;
    
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    
    import java.io.File;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.PrivateKey;
    import java.security.PublicKey;
    
    /** * @author xietansheng */
    public class Main { 
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            // 随机生成一对 RAS 密钥（包含公钥和私钥）
            KeyPair keyPair = RSASignUtils.generateKeyPair();
            // 获取 公钥 和 私钥
            PublicKey pubKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey priKey = keyPair.getPrivate();
    
            // 原始数据
            String data = "你好, World";
    
            // 私钥签名（数据）: 对数据进行签名, 返回签名结果
            byte[] signInfo = RSASignUtils.sign(data.getBytes(), priKey);
            System.out.println("数据签名信息:" + new BASE64Encoder().encode(signInfo));
    
            // 公钥验签（数据）: 用公钥校验数据的签名是否来自公钥对应的私钥
            boolean verify = RSASignUtils.verify(data.getBytes(), signInfo, pubKey);
            System.out.println("数据验签结果:" + verify);
    
            /* * 对文件进行签名和验签 */
            File file = new File("demo.jpg");
    
            // 私钥签名（文件）: 对文件进行签名, 返回签名结果
            byte[] fileSignInfo = RSASignUtils.sign(data.getBytes(), priKey);
            System.out.println("文件签名信息:" + new BASE64Encoder().encode(fileSignInfo));
    
            // 公钥验签（文件）: 用公钥校验文件的签名是否来自公钥对应的私钥
            boolean fileVerify = RSASignUtils.verify(data.getBytes(), signInfo, pubKey);
            System.out.println("文件验签结果:" + fileVerify);
        }
    
    }

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