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深入理解【數字簽名】原理與技術

阿新 • • 發佈：2019-07-25

在騰訊工作已經第三週了，由於是支付業務，不免會涉及到加解密、數字簽名之類的安全手段，花了一天時間，學習了下數字簽名，整理髮出。

1.數字簽名概述

在討論數字簽名之前，我們先來說說簽名。簽名，即自己寫自己的名字，尤其為表示同意、認可、承擔責任或義務。在實際生活中，一些方式（如字跡，指紋等）一直被用作簽名者身份的證明。這是因為：簽名是可信的；不可偽造的；不可重用的；不可抵賴的。簽名即代表著同意，併產生法律效力，在法律上賦予了檔案以真實性。

在日漸來臨的數字化生活中，由於資訊在儲存，傳輸和處理等過程往往是在開放的通訊網路上進行的，所以資訊更容易受到來自外界或內部的竊聽、擷取、修改、偽造和重放等多種手段的攻擊。這時候，就需要數字簽名來保證訊息的來源、訊息的真實，並確保訊息傳送者不可以抵賴自己傳送的訊息，其與現實生活中籤名的作用大致相同。

2.數字簽名性質

數字簽名作為一種密碼技術，具有以下功能和性質:

1.防冒充

其他人不能偽造對訊息的簽名，因為私有金鑰只有簽名者自己知道，所以其他人不能偽造出正確的簽名結果。要求私鑰的持有人儲存好自己的私鑰。

2.防篡改

對於數字簽名，簽名和原有檔案己經形成一個混合的整體資料，不能篡改，從而保證了資料的完整性。

3.防重放

在數字簽名中，如果採用了對簽名報文新增流水號、時戳等技術，可以防止重放攻擊.

4.防抵賴

數字簽名可以鑑別身份，不可能冒充偽造。簽名者無法對自己作過的簽名抵賴。要防止接收者的抵賴，在數字簽名體制中，要求接收者返回一個自己簽名的表示收到的報文，給對方或者是第三方，或者引入第三方仲裁機制。這樣，雙方均不可抵賴。

5.機密性

有了機密性的保證，擷取攻擊就不會成功了。對要簽名的訊息進行適合的加密操作來保證機密性，這些涉及到加密或籤密理論。

3.對稱加密和非對稱加密

在學習數字簽名的工作原理之前，需要了解對稱加密和非對稱加密的原理。

對稱加密

所謂對稱加密，是採用對稱密碼編碼技術的加密措施，它的特點是檔案加密和解密都是使用相同的金鑰。

這種方法在密碼學中叫做對稱加密演算法，對稱加密演算法使用起來簡單快捷，金鑰較短，且破譯困難，除了資料加密標準（DES），另一個對稱金鑰加密系統是國際資料加密演算法（IDEA），它比DES的加密性好，而且對計算機功能要求也沒有那麼高。

非對稱加密

與對稱加密演算法不同，非對稱加密演算法需要兩個金鑰：公開金鑰（publickey）和私有金鑰（privatekey）。

公開金鑰與私有金鑰是一對，如果用公開金鑰對資料進行加密，只有用對應的私有金鑰才能解密；如果用私有金鑰對資料進行加密，那麼只有用對應的公開金鑰才能解密。

因為加密和解密使用的是兩個不同的金鑰，所以這種演算法叫作非對稱加密演算法。

4.資訊摘要

一般在進行數字簽名時，需要先對檔案使用HASH演算法計算其資訊摘要，然後對該摘要值進行數字簽名。

資訊摘要：對資料進行處理，得到一段固定長度的結果，其特點：

1、輸出長度固定。即輸出長度和輸入長度無關。

2、不可逆。即由輸出資料理論上不能推匯出輸入資料

4、對輸入資料敏感。當輸入資料變化極小時，輸出資料也會發生明顯的變化

5、防碰撞。即不同的資料資料得到相同輸出資料的可能性極低。

由於資訊摘要具有上述特點，一般保證資料的完整性，對一個大檔案進行摘要運算，得到其摘要值。通過網路或者其他渠道傳輸後，通過驗證其摘要值，確定大檔案本身有沒有發生變化。

5.數字簽名原理

數字簽名實現的具體原理：

1.將報文按雙方約定的HASH演算法計算得到一個固定位數的報文摘要。在數學上保證，只要改動報文中任何一位，重新計算出的報文摘要值就會與原先的值不相符。這樣就保證了報文的不可更改性。

2.將該報文摘要值用傳送者的私人金鑰加密即稱數字簽名，然後連同原報文和數字證書（包含公鑰）一起傳送給接收者。

3.接收方收到數字簽名後，用同樣的HASH演算法對報文計算摘要值，然後將數字簽名用傳送者的公鑰進行解密，並與報文摘要值相比較，如相等則說明報文確實來自所稱的傳送者。

上述過程可以借用下圖完美詮釋：

為了防止公鑰在傳輸過程中被調包，需要證書中心（簡稱CA）為公鑰做認證。證書中心用自己的私鑰，對公鑰和一些相關資訊一起加密，生成"數字證書"（Digital Certificate），客戶端用CA的公鑰解開數字證書，從而保證公鑰的真實性。

5.數字簽名演算法—RSA

RSA是目前計算機密碼學中最經典演算法，也是目前為止使用最廣泛的數字簽名演算法，RSA數字簽名演算法的金鑰實現與RSA的加密演算法是一樣的，演算法的名稱都叫RSA。金鑰的產生和轉換都是一樣的，包括在售的所有SSL數字證書、程式碼簽名證書、文件簽名以及郵件簽名大多都採用RSA演算法進行加密。

RSA是目前最有影響力的公鑰加密演算法，它能夠抵抗到目前為止已知的絕大多數密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰資料加密標準。

RSA數字簽名演算法主要包括MD和SHA兩種演算法，例如我們熟知的MD5和SHA-256即是這兩種演算法中的一類，具體如下表格分佈：

示例程式碼：

import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

public class HelloRSA {

    private final static String SIGNATURE_ALGORITHM = "RSA";
    private final static String KEY_ALGORITHM = "SHA256withRSA"; // MD5withRSA
    private final static String src = "Hello World";

    public static void main(String[] args) {
        jdkRSA();
    }

    public static void jdkRSA() {
        try {
            //1.初始化金鑰
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            keyPairGenerator.initialize(512); // 位(64的整數倍)
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey)keyPair.getPublic(); //公鑰
            RSAPrivateKey rsaPrivateKey = (RSAPrivateKey)keyPair.getPrivate(); //私鑰

            //2.執行簽名
            //PKCS8EncodedKeySpec類表示私鑰的ASN.1編碼。
            PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(rsaPrivateKey.getEncoded());
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
            //簽名
            Signature signature = Signature.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(src.getBytes());
            byte[] result = signature.sign();
            System.out.println("jdk "+SIGNATURE_ALGORITHM+" sign : " + bytesToHexString(result));

            //3.驗證簽名
            //X509EncodedKeySpec類表示根據ASN.1型別SubjectPublicKeyInfo編碼的公鑰的ASN.1編碼。
            X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(rsaPublicKey.getEncoded());
            keyFactory = KeyFactory.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
            //驗籤
            signature = Signature.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(src.getBytes());
            boolean bool = signature.verify(result);
            System.out.println("jdk "+SIGNATURE_ALGORITHM+" verify : " + bool);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    /**
     * byte[] 轉 16進位制
     */
    private static String bytesToHexString(byte[] src) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        if (src == null || src.length <= 0) {
            return null;
        }
        for (int i = 0; i < src.length; i++) {
            int v = src[i] & 0xFF;
            String hv = Integer.toHexString(v);
            if (hv.length() < 2) {
                stringBuilder.append(0);
            }
            stringBuilder.append(hv);
        }
        return stringBuilder.toString();
    }

}

6.數字簽名演算法—DSA

DSA全稱Digital Signature Algorithm，DSA只是一種演算法，和RSA不同之處在於它不能用作加密和解密，也不能進行金鑰交換，只用於簽名，所以它比RSA要快很多，其安全性與RSA相比差不多。DSA的一個重要特點是兩個素數公開，這樣，當使用別人的p和q時，即使不知道私鑰，你也能確認它們是否是隨機產生的，還是作了手腳。RSA演算法卻做不到。

具體演算法種類如下圖：

示例程式碼：

import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.interfaces.DSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.DSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

public class HelloDSA {

    private final static String SIGNATURE_ALGORITHM = "DSA";
    private final static String KEY_ALGORITHM = "SHA1withDSA";
    private final static String src = "Hello World";

    public static void main(String[] args) {
        jdkDSA();
    }

    public static void jdkDSA() {
        try {
            //1.初始化金鑰
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            keyPairGenerator.initialize(512); // 位(64的整數倍)
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            DSAPublicKey dsaPublicKey = (DSAPublicKey)keyPair.getPublic(); //公鑰
            DSAPrivateKey dsaPrivateKey = (DSAPrivateKey)keyPair.getPrivate(); //私鑰

            //2.執行簽名
            //PKCS8EncodedKeySpec類表示私鑰的ASN.1編碼。
            PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(dsaPrivateKey.getEncoded());
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
            //簽名
            Signature signature = Signature.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(src.getBytes());
            byte[] result = signature.sign();
            System.out.println("jdk "+SIGNATURE_ALGORITHM+" sign : " + bytesToHexString(result));

            //3.驗證簽名
            //X509EncodedKeySpec類表示根據ASN.1型別SubjectPublicKeyInfo編碼的公鑰的ASN.1編碼。
            X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(dsaPublicKey.getEncoded());
            keyFactory = KeyFactory.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
            //驗籤
            signature = Signature.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(src.getBytes());
            boolean bool = signature.verify(result);
            System.out.println("jdk "+SIGNATURE_ALGORITHM+" verify : " + bool);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    /**
     * byte[] 轉 16進位制
     */
    private static String bytesToHexString(byte[] src) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        if (src == null || src.length <= 0) {
            return null;
        }
        for (int i = 0; i < src.length; i++) {
            int v = src[i] & 0xFF;
            String hv = Integer.toHexString(v);
            if (hv.length() < 2) {
                stringBuilder.append(0);
            }
            stringBuilder.append(hv);
        }
        return stringBuilder.toString();
    }

}

7.數字簽名演算法—ECDSA

ECDSA（橢圓曲線數字簽名演算法：Elliptic Curve Digital Signatrue Algorithm）是用於數字簽名，是ECC與DSA的結合，整個簽名過程與DSA類似，所不一樣的是簽名中採取的演算法為ECC，最後簽名出來的值也是分為r,s。而ECC（全稱Elliptic Curves Cryptography）是一種橢圓曲線密碼編碼學。

ECDH每次用一個固定的DH key，導致不能向前保密（forward secrecy），所以一般都是用ECDHE（ephemeral）或其他版本的ECDH演算法。ECDH則是基於ECC的DH（ Diffie-Hellman）金鑰交換演算法。

ECC與RSA 相比，有以下的優點：

  • a. 相同金鑰長度下，安全效能更高，如160位ECC已經與1024位RSA、DSA有相同的安全強度。
  • b. 計算量小，處理速度快，在私鑰的處理速度上（解密和簽名），ECC遠 比RSA、DSA快得多。
  • c. 儲存空間佔用小 ECC的金鑰尺寸和系統引數與RSA、DSA相比要小得多， 所以佔用的儲存空間小得多。
  • d. 頻寬要求低使得ECC具有廣泛得應用前景。

具體演算法種類如下圖：

示例程式碼：

import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.interfaces.ECPrivateKey;
import java.security.interfaces.ECPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;

public class HelloECDSA {

    private final static String SIGNATURE_ALGORITHM = "EC";
    private final static String KEY_ALGORITHM = "SHA1withECDSA";
    private final static String src = "Hello World";

    public static void main(String[] args) {
        jdkEC();
    }

    public static void jdkEC() {
        try {
            //1.初始化金鑰
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            keyPairGenerator.initialize(256); // 位
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            ECPublicKey rsaPublicKey = (ECPublicKey)keyPair.getPublic(); //公鑰
            ECPrivateKey rsaPrivateKey = (ECPrivateKey)keyPair.getPrivate(); //私鑰

            //2.執行簽名
            //PKCS8EncodedKeySpec類表示私鑰的ASN.1編碼。
            PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(rsaPrivateKey.getEncoded());
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
            //簽名
            Signature signature = Signature.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(src.getBytes());
            byte[] result = signature.sign();
            System.out.println("jdk "+SIGNATURE_ALGORITHM+" sign : " + bytesToHexString(result));

            //3.驗證簽名
            //X509EncodedKeySpec類表示根據ASN.1型別SubjectPublicKeyInfo編碼的公鑰的ASN.1編碼。
            X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(rsaPublicKey.getEncoded());
            keyFactory = KeyFactory.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
            PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
            //驗籤
            signature = Signature.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(src.getBytes());
            boolean bool = signature.verify(result);
            System.out.println("jdk "+SIGNATURE_ALGORITHM+" verify : " + bool);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    /**
     * byte[] 轉 16進位制
     */
    private static String bytesToHexString(byte[] src) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        if (src == null || src.length <= 0) {
            return null;
        }
        for (int i = 0; i < src.length; i++) {
            int v = src[i] & 0xFF;
            String hv = Integer.toHexString(v);
            if (hv.length() < 2) {
                stringBuilder.append(0);
            }
            stringBuilder.append(hv);
        }
        return stringBuilder.toString();
    }

}

參考文章：

openssl 摘要和簽名驗證指令dgst使用詳解

Java實現數字簽名

數字簽名演算法介紹和區

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