数字签名应用

• 引言

  数字签名可以确保文件数据的完整性以及不可抵赖性。本次将使用Java语言来实现对文件的数字签名及验证，Java语言的JDK提供了丰富的密码学类库。本次采用了椭圆曲线ECDSA数字签名算法及SHA256散列算法，也可以通过简单的参数选取，使用SHA或其他签名算法。

• 环境及设备

  Windows计算机一台，Java虚拟机 JDK 1.6 及以上版本。

• 步骤

  1. 将一个计算机中的文件中的所有内容读取到字节数组bytes中，需要保证计算机中存在这个文件。

     byte[] bytes = {};
     try {
     	//获取计算机中文件名 d:\\test.txt的路径
     	Path path = Paths.get("d:\\test.txt");
     			
     	//从文件读取内容到字节数组byte[]中
     	bytes = Files.readAllBytes(path);
     }catch(Exception e){
     	System.out.println("文件读取错误" + e);
     }
     

  2. 使用椭圆曲线签名算法，需要先得到椭圆曲线签名算法 EC 的生成**类 KeyPairGenerator 的一个实例 keyPairGen, 然后初始化 keyPairGen，对于椭圆曲线算法，**长度最低为112，生成一对**，其中包括了公钥和私钥，存入对象 pair 中，并以十六进制方式输出私钥的内容。

     //使用椭圆曲线签名算法，需要得到椭圆曲线算法的**生成一个实例keyPairGen
     KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
     		
     //初始化**对生成器，对椭圆曲线算法，参数最低为112
     keyPairGen.initialize(112);
     		
     //生成一对**，其中包括公钥和私钥，存入对象pair中；
     KeyPair pair = keyPairGen.generateKeyPair();
     		
     //从pair中获取私钥
     PrivateKey privKey = pair.getPrivate();
     		
     //输出私钥内容
     byte[] bytePrivKey = privKey.getEncoded();
     String strPrivKey = DatatypeConverter.printHexBinary(bytePrivKey);
     System.out.printf("私钥:0x%s\n",strPrivKey);
     

  3. 从对象pair中获取公钥，以十六进制方式输出公钥的内容。

     //从pair中获取公钥
     PublicKey pubKey = pair.getPublic();
     //输出公钥字节内容
     byte[] bytePubKey = pubKey.getEncoded();
     String strPubKey = DatatypeConverter.printHexBinary(bytePubKey);
     System.out.printf("公钥：0x%s\n",strPubKey);
     

  4. 创建一个签名对象 sign。使用 SHA256 算法作为散列函数，椭圆曲线签名算法 ECDSA 作为签名算法。用私钥 pairKry 来初始化签名对象 sign。然后使用签名对象 sign 的 update 方法加载需要签名的字节数组的内容 bytes，再使用 sign 方法生成签名；以十六进制字节方法打印 bytes 的签名值。

     //创建一个签名对象sign，使用SHA256算法作为散列函数，椭圆曲线签名算法ECDSA作为签名算法
     Signature sign = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
     		
     //用私钥privKey来初始化签名对象sign
     sign.initSign(privKey);
     		
     //签名对象sign加载需要签名的字节数组内容bytes
     sign.update(bytes);
     		
     //生成签名
     byte[] signature = sign.sign();
     		
     //以十六进制字节方式打印出bytes的签名值
     String strSign = DatatypeConverter.printHexBinary(signature);
     System.out.printf("签名内容:0x%s\n",strSign);
     

  5. 使用公钥 pubKey 对签名进行验证。创建一个签名对象 veriSign ，使用 SHA256 算法作为散列函数，椭圆曲线签名算法 ECDSA 作为签名算法。使用公钥 pubKey 来初始化签名对象 VeriSign ，签名对象VeriSign 加载需要验证签名的字节数组内容 bytes。VeriSign 使用公钥 pubKey 对 bytes 进行验证。

     //使用公钥pubKey对签名进行验证
     System.out.println("正在验证，请稍等------");
     		
     //创建一个签名对象veriSign,使用SHA256算法作为散列函数，椭圆曲线签名算法ECDSA作为签名算法
     Signature veriSign = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
     		
     //使用公钥pubKey来初始化签名对象VeriSign
     veriSign.initVerify(pubKey);
     		
     //签名对象veriSign加载需要验证签名的字节数组的内容bytes
     veriSign.update(bytes);;
     		
     //签名对象veriSign使用公钥pubKey对bytes的签名signature进行验证
     boolean ok = veriSign.verify(signature);
     if(ok)
     	System.out.println("验证成功，签名正确！");
     else
     	System.out.println("验证失败，签名不正确！");
     

  6. 若签名验证成功，则打印 “验证成功，签名正确！”，否则打印出 “验证失败，签名不正确！”。

• 实现

  package digitalsignature;
  
  import java.nio.file.Files;
  import java.nio.file.Path;
  import java.nio.file.Paths;
  import java.security.KeyPair;
  import java.security.KeyPairGenerator;
  import java.security.PrivateKey;
  import java.security.PublicKey;
  import java.security.Signature;
  import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
  
  /** 
  * @author renhongchang
  * @version 创建时间：2021年5月31日 下午2:57:08 
  * @blog https://rhc-rgb.github.io
  * 
  * 随计算机中的一个文件使用椭圆曲线算法生成数字签名
  * 然后对该文件的数字签名进行验证
  */
  public class DigitalSignature {
  
  	public static void main(String[] args) throws Exception {
  		byte[] bytes = {};
  		try {
  			//获取计算机中文件名 d:\\test.txt的路径
  			Path path = Paths.get("d:\\test.txt");
  			
  			//从文件读取内容到字节数组byte[]中
  			bytes = Files.readAllBytes(path);
  		}catch(Exception e){
  			System.out.println("文件读取错误" + e);
  		}
  		
  		
  		//使用椭圆曲线签名算法，需要得到椭圆曲线算法的**生成一个实例keyPairGen
  		KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
  		
  		//初始化**对生成器，对椭圆曲线算法，参数最低为112
  		keyPairGen.initialize(112);
  		
  		//生成一对**，其中包括公钥和私钥，存入对象pair中；
  		KeyPair pair = keyPairGen.generateKeyPair();
  		
  		//从pair中获取私钥
  		PrivateKey privKey = pair.getPrivate();
  		
  		//输出私钥内容
  		byte[] bytePrivKey = privKey.getEncoded();
  		String strPrivKey = DatatypeConverter.printHexBinary(bytePrivKey);
  		System.out.printf("私钥:0x%s\n",strPrivKey);
  		
  		
  		//从pair中获取公钥
  		PublicKey pubKey = pair.getPublic();
  		//输出公钥字节内容
  		byte[] bytePubKey = pubKey.getEncoded();
  		String strPubKey = DatatypeConverter.printHexBinary(bytePubKey);
  		System.out.printf("公钥：0x%s\n",strPubKey);
  		
  		
  		//创建一个签名对象sign，使用SHA256算法作为散列函数，椭圆曲线签名算法ECDSA作为签名算法
  		Signature sign = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
  		
  		//用私钥privKey来初始化签名对象sign
  		sign.initSign(privKey);
  		
  		//签名对象sign加载需要签名的字节数组内容bytes
  		sign.update(bytes);
  		
  		//生成签名
  		byte[] signature = sign.sign();
  		
  		//以十六进制字节方式打印出bytes的签名值
  		String strSign = DatatypeConverter.printHexBinary(signature);
  		System.out.printf("签名内容:0x%s\n",strSign);
  		
  		//使用公钥pubKey对签名进行验证
  		System.out.println("正在验证，请稍等------");
  		
  		//创建一个签名对象veriSign,使用SHA256算法作为散列函数，椭圆曲线签名算法ECDSA作为签名算法
  		Signature veriSign = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
  		
  		//使用公钥pubKey来初始化签名对象VeriSign
  		veriSign.initVerify(pubKey);
  		
  		//签名对象veriSign加载需要验证签名的字节数组的内容bytes
  		veriSign.update(bytes);;
  		
  		//签名对象veriSign使用公钥pubKey对bytes的签名signature进行验证
  		boolean ok = veriSign.verify(signature);
  		if(ok)
  			System.out.println("验证成功，签名正确！");
  		else
  			System.out.println("验证失败，签名不正确！");
  	}
  }
  

• 实现结果

  私钥:0x302C020100301006072A8648CE3D020106052B8104000604153013020101040EAE0831C7D9E7F76ADF8A0B08D1DF
  公钥：0x3032301006072A8648CE3D020106052B81040006031E0004050A0BCE147FF9BFDDA2FD06BD748B983B600DD605296822BD59E317
  签名内容:0x3020020E3CBFF953DC7C15041DDC01A56704020E51949B5868C2123534E39ABA2F03
  正在验证，请稍等------
  验证成功，签名正确！