Java加密解密之数字签名

比眉伴天荒 2022-06-07 03:00 173阅读 0赞

上一篇帖子，我们讲了MAC（消息认证码），它可以验证身份和防篡改。  
它的机制是通过通信双方都持有相同的秘钥去实现，秘钥相同摘要才相同，没有秘钥就不能生成正确的摘要信息。  
  
  
但是，它有个缺点，就是 **通信双方必须持有相同的秘钥**，解决方法就是使用数字签名  
  
  
数字签名（又称公钥数字签名、电子签章）是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了非对称加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。  
一套数字签名通常定义两种互补的运算， **私钥用于签名，公钥用于验证（验签）**。

数字签名是**非对称密钥加密技术**与**数字摘要**技术的应用。

既然是非对称加密，就需要有一对秘钥，公钥和私钥

下面演示一下，用OpenSSL生成一对秘钥

#生成RSA私钥，默认是编码方式为PEM的PKCS#1格式
    #PKCS#1格式是传统的私钥格式
    openssl genrsa -out key.pem 1024
    
    #从私钥中生成公钥，给OpenSSL验签用的
    openssl rsa -in key.pem -out pub.pem -pubout
    
    #把PEM编码格式的私钥转换成DER编码的私钥，同时进行PKCS#1转换成PKCS#8（Java默认只能处理PKCS#8的格式）
    #-nocrypt 意思是不加密
    #给Java用
    openssl pkcs8 -topk8 -in key.pem -out pkcs8_prikey.der -inform PEM -outform DER -nocrypt
    
    #从私钥中导出DER编码的公钥
    #给Java用
    openssl rsa -in key.pem -pubout -outform DER -out pubkey.der

这样，就会生成四个文件，其中pkcs8\_prikey.der、pubkey.der是给Java用的

有了秘钥对之后，就可以对文件进行签名了

下面使用Java（1.8.0\_144）演示计算apache-tomcat-8.5.23.zip文件的数字签名

package com.security.sign;
    
    import java.nio.file.Files;
    import java.nio.file.Paths;
    import java.security.KeyFactory;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.PrivateKey;
    import java.security.PublicKey;
    import java.security.Signature;
    import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
    import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
    
    import org.bouncycastle.util.encoders.Hex;
    
    public class SignatureTest {
    
    	public static KeyPair getKeyPair() throws Exception {
    		KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
    		
    		byte[] publicKeyData = Files.readAllBytes(Paths.get("c:/tmp/pubkey.der"));
    		byte[] privateKeyData = Files.readAllBytes(Paths.get("c:/tmp/pkcs8_prikey.der"));
    		
    		X509EncodedKeySpec publicKeySpec= new X509EncodedKeySpec(publicKeyData);
    		PKCS8EncodedKeySpec privateKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKeyData);
    		
    		PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(publicKeySpec);
    		PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(privateKeySpec);
    		
    		return new KeyPair(publicKey, privateKey);
    	}
    	
    	/**
    	 * 用私钥生成签名
    	 * 
    	 * Signature.getInstance(algorithm) 算法格式为 <digest>with<encryption>
    	 * 支持的算法有：MD5withRSA、SHA256withRSA、SHA256withDSA等等
    	 * 
    	 * 全部支持的算法见官方文档：
    	 * https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/security/StandardNames.html#Signature
    	 */
    	public static byte[] sign(String signatureAlgorithm, PrivateKey privateKey, byte[] data) throws Exception {
    		Signature sign = Signature.getInstance(signatureAlgorithm);
    		sign.initSign(privateKey);
    		sign.update(data);
    		byte[] result = sign.sign();
    		return result;
    	}
    	
    	/**
    	 * 用公钥验签
    	 */
    	public static boolean verify(String signatureAlgorithm, PublicKey publicKey, byte[] data, byte[] signature) throws Exception {
    		Signature sign = Signature.getInstance(signatureAlgorithm);
    		sign.initVerify(publicKey);
    		sign.update(data);
    		return sign.verify(signature);
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) throws Exception {
    		KeyPair keyPair = getKeyPair();
    		
    		PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
    		PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
    		
    		String signatureAlgorithm = "SHA256withRSA";
    		
    		//需要签名的数据
    		byte[] data = Files.readAllBytes(Paths.get("c:/tmp/apache-tomcat-8.5.23.zip"));
    		
    		//数据+私钥签名
    		byte[] signatureData = sign(signatureAlgorithm, privateKey, data);
    		
    		//把签名转换成十六进制的文本
    		System.out.println(Hex.toHexString(signatureData));
    		
    		//数据+公钥+签名结果进行验证
    		boolean result = verify(signatureAlgorithm, publicKey, data, signatureData);
    		System.out.println(result);
    	}
    }

执行之后，输出结果为：

a4a68c93f811192fe96f5746c486fa37db6746a6f71b482d7c6a371078b99a567220b3eaf5a984fe

7626dd35eb806adf4cbf63b6e081631172babe8f1785d6f56ddeb9ce5c809f921ac10332cb02c8be

2de304ac20d5ef1c0d9cf7a0874615d27defff751a1fd8dc13849aeeb4ddd0f1ba5d7766e96e9be64

7294ff4a3224033

true

可以看到，签名很长，输出true表示验证通过。

同样的，我们来使用OpenSSL来进行对apache-tomcat-8.5.23.zip进行数字签名

签名的命令：

openssl dgst -sign key.pem -sha256 -hex /tmp/apache-tomcat-8.5.23.zip

结果：

![Center][]

可以看到，和Java签名的结果是一致的

上面这是把签名以十六进制文本输出，下面来同时进行签名和验证

#把签名结果输出到sign.sig
    openssl dgst -sign key.pem -sha256 -out sign.sig /tmp/apache-tomcat-8.5.23.zip
    
    #验签
    openssl dgst -verify pub.pem -sha256 -signature sign.sig /tmp/apache-tomcat-8.5.23.zip

输出结果：

![Center 1][]

验签通过

上面的，Signature.getInstance(algorithm)  参数algorithm可以支持的值除了参考官方文档，还可以通过如下代码得出

Security.getAlgorithms("Signature").forEach(System.out::println);

在Java8中，输出结果如下：

NONEWITHDSA
    SHA384WITHECDSA
    SHA224WITHDSA
    SHA256WITHRSA
    MD5WITHRSA
    SHA1WITHRSA
    SHA512WITHRSA
    MD2WITHRSA
    SHA256WITHDSA
    SHA1WITHECDSA
    MD5ANDSHA1WITHRSA
    SHA224WITHRSA
    NONEWITHECDSA
    NONEWITHRSA
    SHA256WITHECDSA
    SHA224WITHECDSA
    SHA384WITHRSA
    SHA512WITHECDSA
    SHA1WITHDSA

[Center]: /images/20220607/e6a7b8061fc7487fb8fd38194e210362.png
[Center 1]: /images/20220607/7c60afa0056648a59b97d82aa5f29663.png