Java结合keytool实现非对称签名与验证

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

keytool -genkey 

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。