Java结合keytool实现非对称签名与验证详解编程语言

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。

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

$ openssl genrsa -out key.pem 1024 

$ cat key.pem 

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY----- 

MIICXQIBAAKBgQCzVDmu6Cf2QF7cERCGYU3B8Epm6pkkpMZFgotphXMgAmBBNJbh 

Si7qPH4R5JlEm1ZXPr5DZH/pyJBWQhiiHGeUAOve+GOgvt9Rk25r7OEWYvn/GCr/ 

JBfLBGqwtlzn/t2s2x04IooshsGkOd6YpZoztkEDtu2gKHedFczF607IvwIDAQAB 

AoGAMdbIqUmwQYomUvcTJqXIXIwRwYSVx09cI1lisZL7Kfw/ECAzhq19WHAzgXmM 

9zpMxraTXluCCVFKfA6mlfda+ZoBlKSYdOecwNB+TSAumf9XK8uHW/g8C+Ykq9OG 

g9Uiy8rKnl12Zaiu9H8L82ud0CkTFW2636/PuKgtp+4YbXECQQDhKdh8lwgumg7H 

YIw5476QOHnPL7c3OFPGtaOZMZJkjMPfRzgR4B5PjcGnOLDoTlkATcBPmXtLwwJJ 

SzaBdaRjAkEAy+NwdOzC1yQrTrkZQx1brNjO3iytfkl3t1xAWyz5Sy1IB7+4fsod 

Eh3br5E1o5YRipY2GJZvp2OAAt3tz6iS9QJASvIYwu+qo4hX3vk9847gwTRrJxFk 

1JaFHCEdgUJEzf8ku08DVL/alvRCPxzZlZluenFmz5fwuDkCq87DJ7g2rQJBAMDM 

+SnIPdMeA8n0pRvfJjLD7pMP4pu6M3fzx3Owiqj5T9TsCjXzQBxCmdxizzs7DKll 

tA/6Kek64PFVFa25tgUCQQCTM1VwfNKjFbd+0HuF6WAs3Odjuo0gKk/QIjdn7M5/ 

I0kxEApKxTto3oiuCQGeYL/sqy3WjM0476w48+xUsQeF 

-----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-----

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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