密码学研究-数字签名

引入：

提到签名，大家都不陌生，大家知道，重大的文件一般都要领导签名，来确保这个文件的真实有效。而一些比较重要的合同，比如买房的购房合同，都要盖“骑缝章”，这个骑缝章，就是盖在2页纸中间的印章，它也代表了签名，它用来保证你合同的完整性。所以说，签名在日常生活中非常重要，它主要用来保证了信息的完整性。同样，计算机世界也对这个签名过程进行了模拟，数字签名的概念由此而生。

 

数字签名的过程：

一般数字签名的过程分为2个，一个是签名过程，一个是验证过程。

 

数字签名的基本过程如下：

(1)发送方用指定的散列函数作用于原始报文，计算出原始报文的原始摘要。

(2)发送方选用非对称的密钥中的私钥对原始摘要进行加密，得到加密后的原始摘要

(3)发送方构造一个报文(SignedObject对象），将原始报文添加在其中

(4)发送方将第(2)步产生的加密后的原始摘要也添加到第(3)步构建的报文中。

这个报文通过不可信任的网络传输到接收端。

(5)接受端从报文中取出原始报文，用约定的散列函数计算出摘要值，记为D1。

(6)接受端从报文中取出加密后的原始摘要，用公钥解密，还原出摘要值，记为D2。

(7)接收端比较D1和D2的值，如果相同，那么认为这个原始报文是可靠的。

 

 

实践：

我们java.security包提供了一组API 来表示数字签名的过程，这个核心类就是Signature类，它提供了一组方法来签名和验证，我们这里就给出这个类的一般用法：

 

我们先建立一个工具类，这个类是个单例，它主要是提供了一些封装方法来封装签名和验证的过程，因为签名和验证都需要公钥-私钥对，所以它包含了这对钥匙的产生逻辑。

 

package com.charles.signaturestudy;
import java.io.IOException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.KeyStore;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.Signature;
import java.security.SignatureException;
import java.security.SignedObject;
/**
 *
 * Description: 这个工具类提供了一组方法来操作Signature类，它主要可以对签名进行一些操作
 *
 * @author charles.wang
 * @created Oct 28, 2013 11:11:52 AM
 *
 */
public class SignatureUtil {
    private static SignatureUtil instance = null;
    //公钥私钥对
    private KeyPair keyPair = null;
    //数字签名类
    private Signature signature = null;
    /**
     * 私有构造器，用指定的算法来初始化Signature类
     * @param algorithm
     */
    private SignatureUtil(String algorithm) {
        try {
            // 实例化KeyPairGenerator对象，并且指定算法为DSA
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);
            // 初始化 KeyPairGenerator对象
            keyPairGenerator.initialize(1024);
            // 生成Keypair对象
            keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            // 实例化Signature对象,这个对象提供一组动作方法类操作签名
            signature = Signature.getInstance(keyPairGenerator.getAlgorithm());
        } catch (NoSuchAlgorithmException ex) {
            keyPair = null;
            signature = null;
        }
    }
    /**
     * 单例的工厂方法,用于创建SignatureUtil的实例
     *
     * @return
     */
    public static SignatureUtil getInstance(String algorithm) {
        if (instance == null)
            instance = new SignatureUtil(algorithm);
        return instance;
    }
    /**
     * 用私钥对指定的原始数据进行签名
     * @param data 被签名的数据
     * @return
     */
    public byte[] signWithPrivateKey(byte[] data) {
        try {
            // 私钥完成签名，所以这里用私钥初始化用于签名的Signature
            signature.initSign(keyPair.getPrivate());
            // 更新要签名的原始数据
            signature.update(data);
            // 返回签名的内容
            return signature.sign();
        } catch (InvalidKeyException ie) {
            ie.printStackTrace();
            return null;
        } catch (SignatureException se) {
            se.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
    /**
     * 用公钥对指定的原始数据和签名进行验证
     * @param data
     * @param sign
     * @return
     */
    public boolean verifySignedObjectWithPublicKey(byte[] data, byte[] sign) {
        try {
            // 公钥完成验证，所以这里用公钥初始化用于验证的Signature
            signature.initVerify(keyPair.getPublic());
            // 更新要验证的原始数据
            signature.update(data);
            // 验证签名,获得验证结果
            return signature.verify(sign);
        } catch (InvalidKeyException ie) {
            ie.printStackTrace();
            return false;
        } catch (SignatureException se) {
            se.printStackTrace();
            return false;
        }
    }
                                                                                                                                                                                                                                                                                                       
                                                                                                                                                                                                                                                                                                     
}

然后我们提供了一个演示类，它的过程如下：

先给出原始数据，再用我们的API对其进行数字签名(sign)，并且打印出数字签名的内容，然后我们用我们的API来验证(verify)数字签名的有效性。

 

package com.charles.signaturestudy;
/**
 *
 * Description: 这个类用来演示数字签名的使用方法
 *
 * @author charles.wang
 * @created Oct 28, 2013 10:37:32 AM
 *
 */
public class SignatureDemo {
    public static void main(String [] args) throws Exception{
                                                                                                                                                                                                                                                                        
        //SignatureUtil是我们开发的一组动作类，它对于Signature类进行了进一步的封装
        //它提供了我们可以对数字签名完成的一组动作
        SignatureUtil sigUtil = SignatureUtil.getInstance("DSA");
                                                                                                                                                                                                                                                                        
        //原始数据对象
        String content="被测试的原始数据对象";
                                                                                                                                                                                                                                                                        
        //打印出原始数据
        System.out.println("原始数据为:"+content);
                                                                                                                                                                                                                                                                        
        //将原始数据对象转为字节数组
        byte[] rawData = content.getBytes();
                                                                                                                                                                                                                                                                        
        System.out.println("\n开始对原始数据签名...");
        //进行签名,返回签名的内容
        byte[] sign = sigUtil.signWithPrivateKey(rawData);
        System.out.println("签名内容(16进制)为："+byte2hex(sign));
                                                                                                                                                                                                                                                                            
        System.out.println("\n开始对签名内容验证...");
        //进行验证，对验证结果进行分析
        boolean status = sigUtil.verifySignedObjectWithPublicKey(rawData, sign);
                                                                                                                                                                                                                                                                        
        if(status==true){
            System.out.println("验证结果，此签名是有效的");
        }else{
            System.out.println("验证结果，此签名是无效的");
        }
                                                                                                                                                                                                                                                                        
    }
                                                                                                                                                                                                                                                                    
                                                                                                                                                                                                                                                                    
    /**
     * 将二进制转为字符串的形式
     *
     * @param b
     * @return
     */
    protected static String byte2hex(byte[] b) // 二行制转字符串
    {
        // 最终要转化的16进制字符串
        StringBuilder hexString = new StringBuilder();
        // 处理每个转化的当前字符串
        String tmpStr = "";
        for (int n = 0; n < b.length; n++) {
            // 将二进制转为16进制
            tmpStr = (Integer.toHexString(b[n] & 0XFF));
            // 如果当前转成的字符串只有一位长度的话，则前面补0，然后加上当前转换值
            if (tmpStr.length() == 1) {
                hexString.append("0").append(tmpStr);
            }
            // 否则，，则直接将当前转换值tmpStr附加在hexString后面
            else
                hexString.append(tmpStr);
            // 如果没有到byte[]的尾部，则中间用冒号分开，最后一个后面不用加冒号
            if (n < b.length - 1)
                hexString.append(":");
        }
        return hexString.toString().toUpperCase();
    }
}

 

 

最后，我们运行这个实例程序，然后可以清晰的看出以上的过程：