Java结合keytool实现非对称签名与验证

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参考”Oracle–The Java Tutorials: Generate Keys”
还有姊妹篇:Java结合keytool实现非对称加密和解密

keytool的使用

keytool 是 JDK 自带的一个密钥库管理工具。这里只用到了 keytool 的部分功能,包括生成密钥对、导出公钥等。keytool 生成的公钥/私钥对存放到一个到了一个文件中,这个文件有密码保护,通称为 keystore。

生成密钥对

$ keytool -genkey -alias signLegal -keystore examplestanstore -validity 1800

生成别名为 signLegal 的密钥对,存放在密钥库 examplestanstore 中,证书的有效期是1800天(默认是90天)。
输入一系列的参数。输入的参数遵循了 LDAP 的风格和标准。可以想象,生成的密钥对可以看成 LDAP 的一个条目。
命令执行成功后会在当前目录下创建一个叫 examplestanstore 的文件。

查看密钥对

$ keytool -list -keystore examplestanstore -v

列出了examplestanstore密钥库的中所有密钥对。-v参数表示详细信息,详细信息中有证书的失效时间。

导出公钥证书

$ keytool -export -keystore examplestanstore -alias signLegal -file StanSmith.cer

导出的公钥存放在当前目录的 StanSmith.cer 文件中,是个二进制文件。

Java签名和验证

参考了Java安全官方教程
在该官方教程中,GenSig.java 类生成密钥对,对输入的文件进行签名,输出了一个签名结果文件 sig 和公钥 suepk。
VerSig.java 类接受三个参数:公钥文件名(suepk)、签名文件(sig)、被签名的源文件名(hello.txt)。
该教程解释了两个类的原理,并附加有源码。将源码下载并编译。创建一个 hello.txt 的文件作为被签名的目标文件,里面随便放点字符串。然后执行:

$ java GenSig hello.txt



(生成文件sig和suepk)
$ java VerSig suepk sig hello.txt
signature verifies: true

在实际使用时,密钥对不可能每次在程序中重新生成。而 keytool 恰好可以生成并相对安全保存密钥对。所以下面结合了 keytool 和 Java 实现的功能。

结合keytool与Java签名/验证

参考”Oracle–The Java Tutorials: Weaknesses and Alternatives”

密钥对由 keytool 生成并保存到 keystore 中保护起来(keystore有密码)。公钥也从 keystore 中导出。GenSig.java 类只需要从 keystore 中取得私钥进行签名即可。
VerSig.java 也要做适当的修改。貌似因为从 keystore 中导出的是证书而不是公钥,两者的封装格式估计有差异。

具体步骤

  1. 利用 keytool -genkey 生成密钥对保存在 keystore 中(库文件是examplestanstore);
  2. 利用 `keytool -export` 从 keystore 中导出公钥证书(StanSmith.cer);
  3. 利用新类 GenSig2.java 生成签名(文件名是sig),GenSig2.java 会从 keystore 中取私钥;
  4. 将公钥(StanSmith.cer)、签名(sig)、被签名文件(hello.txt)发给验证方;
  5. 验证方利用 VerSig2.java 进行验证。

下面是 GenSig2.java 和 VerSig2.java 的源码和执行方式。

GenSig2.java

import java.io.*;
import java.security.*;

class GenSig2 {

public static void main(String[] args) {

if (args.length != 1) {


System.out.println("Usage: java GenSig2 <nameOfFileToSign>");


}
else try{

/*create key paire use keytool:


$ keytool -genkey -alias signLegal -keystore examplestanstore -validity 1800*/


// read keystore file


KeyStore ks = KeyStore.getInstance("JKS");


FileInputStream ksfis = new FileInputStream("examplestanstore");


BufferedInputStream ksbufin = new BufferedInputStream(ksfis);

// open keystore and get private key


// alias is 'signLeal', kpasswd/spasswd is 'vagrant'


ks.load(ksbufin, "vagrant".toCharArray());


PrivateKey priv = (PrivateKey) ks.getKey("signLegal", "vagrant".toCharArray());

/* Create a Signature object and initialize it with the private key */

Signature dsa = Signature.getInstance("SHA1withDSA", "SUN");

dsa.initSign(priv);


/* Update and sign the data */

FileInputStream fis = new FileInputStream(args[0]);


BufferedInputStream bufin = new BufferedInputStream(fis);


byte[] buffer = new byte[1024];


int len;


while (bufin.available() != 0) {


len = bufin.read(buffer);


dsa.update(buffer, 0, len);


};

bufin.close();

/* Now that all the data to be signed has been read in,


generate a signature for it */


byte[] realSig = dsa.sign();

/* Save the signature in a file */


FileOutputStream sigfos = new FileOutputStream("sig");


sigfos.write(realSig);

sigfos.close();

/* public key file can export from keystore use keytool:


$
keytool -export -keystore examplestanstore -alias signLegal -file StanSmith.cer */

} catch (Exception e) {


System.err.println("Caught exception " + e.toString());
}
};

编译后,这样运行:

$ java GenSig2 hello.txt

会生成签名文件sig。

VerSig2.java

import java.io.*;
import java.security.*;
import java.security.spec.*;

class VerSig2 {

public static void main(String[] args) {

/* Verify a DSA signature */

if (args.length != 3) {


System.out.println("Usage: VerSig publickeyfile signaturefile datafile");


}
else try{

/* import encoded public cert */


FileInputStream certfis = new FileInputStream(args[0]);


java.security.cert.CertificateFactory cf =


java.security.cert.CertificateFactory.getInstance("X.509");


java.security.cert.Certificate cert =
cf.generateCertificate(certfis);


PublicKey pubKey = cert.getPublicKey();

/* input the signature bytes */


FileInputStream sigfis = new FileInputStream(args[1]);


byte[] sigToVerify = new byte[sigfis.available()];


sigfis.read(sigToVerify );

sigfis.close();

/* create a Signature object and initialize it with the public key */


Signature sig = Signature.getInstance("SHA1withDSA", "SUN");


sig.initVerify(pubKey);

/* Update and verify the data */

FileInputStream datafis = new FileInputStream(args[2]);


BufferedInputStream bufin = new BufferedInputStream(datafis);


byte[] buffer = new byte[1024];


int len;


while (bufin.available() != 0) {


len = bufin.read(buffer);


sig.update(buffer, 0, len);


};

bufin.close();

boolean verifies = sig.verify(sigToVerify);

System.out.println("signature verifies: " + verifies);

} catch (Exception e) {


System.err.println("Caught exception " + e.toString());
};
}
}

编译后,这样运行(StanSmith.cer 是利用 keytool 导出的公钥证书,见前文):

$ java VerSig2 StanSmith.cer sig hello.txt
signature verifies: true

OpenSSL

虽然也研究了一下 OpenSSL,但发现与 Java 难以结合,难度也很大。例如它的教程中采用的是 RSA,而上面的 Java 使用的是 DSA。所以只是贴在这里备忘,可以忽略。

参考”An Introduction to the OpenSSL command line tool”

生成私钥

$ openssl genrsa -out key.pem 1024
$ cat key.pem
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----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-----END RSA PRIVATE KEY-----

导出公钥

$ openssl rsa -in key.pem -pubout -out pub-key.pem
$ cat pub-key.pem
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCzVDmu6Cf2QF7cERCGYU3B8Epm
6pkkpMZFgotphXMgAmBBNJbhSi7qPH4R5JlEm1ZXPr5DZH/pyJBWQhiiHGeUAOve
+GOgvt9Rk25r7OEWYvn/GCr/JBfLBGqwtlzn/t2s2x04IooshsGkOd6YpZoztkED
tu2gKHedFczF607IvwIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

摘要计算

创建一个内容是 1234 的文本文件 hello.txt。用 OpenSSL 计算它的 SHA256 摘要(SHA256 是 jarsigner 的默认摘要算法):

$ cat hello.txt
1234
$ openssl dgst -SHA256 -out hello.sha256 hello.txt
$ cat hello.sha256
SHA256(hello.txt)= a883dafc480d466ee04e0d6da986bd78eb1fdd2178d04693723da3a8f95d42f4

签名和验证

对摘要文件 hello.sha256 进行签名:

$ openssl rsautl -sign -in hello.sha256 -out hello.sign -inkey key.pem

用公钥对签名进行验证:

$ openssl rsautl -verify -in hello.sign -inkey pub-key.pem -pubin
SHA256(hello.txt)= a883dafc480d466ee04e0d6da986bd78eb1fdd2178d04693723da3a8f95d42f4

用公钥验证必须加上 -pubin 参数。 用私钥对签名进行验证:

$ openssl rsautl -verify -in hello.sign -inkey key.pem
SHA256(hello.txt)= a883dafc480d466ee04e0d6da986bd78eb1fdd2178d04693723da3a8f95d42f4

验证的STD输出与摘要文件 hello.sha256 的内容一样,说明验证可以通过。

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