java数字签名

                                                                                                                
证书(Certificate，也称public-key certificate)是用某种签名算法对某些内容(比如公钥)进行数字签名后得到的、可以用来当成信任关系中介的数字凭证。证书发行机构通过发行证书告知证书使用者或实体其公钥(public-key)以及其它一些辅助信息。证书在电子商务安全交易中有着广泛的应用，证书发行机构也称CA(Certificate Authority)。



应用证书


证书在公钥加密应用中的作用是保证公钥在某些可信的机构发布，其在协议SSL、电子交易协议SET等方面有重要的应用。图1显示了一个最简单的证书应用方法：








图1 证书应用方法


证书的应用步骤是：

（1） A把自己的公钥PKA送到CA(Certificate Authority)；

（2） CA用自己的私钥和A的公钥生成A的证书，证书内包括CA的数字签名。签名对象包括需要在证书中说明的内容，比如A的公钥、时间戳、序列号等，为了简化这里不妨假设证书中只有三项内容：A的公钥PKA、时间戳TIME1、序列号IDA。那么CA发送给A的简单证书凭证可表达为：CertA=Eca[TIME1,IDA,PKA]；

（3） B同样把自己的公钥PKB送到CA；

（4） B得到CA发布的证书CertB;

（5） A告知B证书CertA；

（6） B告知A证书CertB。

A、B各自得到对方证书后，利用从CA得到的公钥(在CA的自签证书中)验证彼此对方的证书是否有效，如果有效，那么就得到了彼此的公钥。利用对方的公钥，可以加密数据，也可以用来验证对方的数字签名。

本文为了方便说明，并没有使用从CA获得的证书，而是通信双方各自产生自签证书，也就是说图1的A和B并没有经过CA，不过前提是A和B之间是互相拥有对方的证书。

证书的内容和意义如表1所示（这里以通用X .509证书格式为例）。



表1 证书内容和意义




证书内容 意义
Version 告诉这个X.509证书是哪个版本的，目前有v1、V2、v3
Serial Number 由证书分发机构设置证书的序列号
Signature Algorithm Identifier 证书采用什么样的签名算法
Issuer Name 证书发行者名，也就是给这个证书签名的机构名
Validity Period 证书有效时间范围
Subject Name 被证书发行机构签名后的公钥拥有者或实体的名字，采用X.500协议，在Internet上的标志是惟一的。例如：CN=Java,OU=Infosec,O=Infosec Lab,C=CN表示一个subject name。



对证书的详细定义及其应用相关的各种协议，这里不加详细说明，详细细节请查看RFC2450、RFC2510、RFC2511、RFC2527、RFC2528、RFC2559、RFC2560、RFC2585、RFC2587等文档。



生成自签证书


个人或机构可以从信任的证书分发机构申请得到证书，比如说，可以从http://ca.pku.edu.cn 得到一个属于个人的证书。这里可以利用J2SDK的安全工具keytool手工产生自签证书，所谓自签证书是指证书中的“Subject Name”和“Issuer Name”相同的证书。

下面产生一个自签证书。安装完J2SDK（这里用的是J2SDK1.4）后，在J2SDK安装目录的bin目录下，有一个keytool的可执行程序。利用keytool产生自签证书的步骤如下：

第一步，用-genkey命令选项，产生公私密钥对。在控制台界面输入：keytool -genkey -alias testkeypair -keyalg RSA -keysize 1024 -sigalg MD5withRSA。这里的-alias表示使用这对公私密钥产生新的keystore入口的别名(keystore是用来存放管理密钥对和证书链的，缺省位置是在使用者主目录下，以.keystore为名的隐藏文件，当然也可指定某个路径存放.keystore文件)；-keyalg是产生公私钥对所用的算法，这里是RSA；-keysize定义密钥的长度；-sigalg是签名算法，选择MD5withRSA，即用RSA签名，然后用MD5哈希算法摘要。接下来，系统会提示进行一些输入：

输入keystore密码：  abc123
您的名字与姓氏是什么？
  [Unknown]：  Li
您的组织单位名称是什么？
  [Unknown]：  InfosecLab
您的组织名称是什么？
  [Unknown]：  InfosecLab Group
您所在的城市或区域名称是什么？
  [Unknown]：  Beijing
您所在的州或省份名称是什么？
  [Unknown]：  Beijing
该单位的两字母国家代码是什么
  [Unknown]：  CN
CN=Li, OU=InfosecLab, O=InfosecLab Group, L=Beijing, ST=Beijing, C=CN 正确吗？
[否]：  y
输入<testkeypair>的主密码 (如果和 keystore 密码相同，按回车）：


第二步，产生自签证书，输入以下命令：

keytool -selfcert -alias testkeypair -dname "CN=Li, OU=InfosecLab, O=InfosecLab
Group, L=Beijing, ST=Beijing, C=CN"
输入keystore密码：  abc123


第三步，导出自签证书，由上面两步产生的证书，已经存放在以“testkeypair”为别名的keystore入口了，如果使用其文件，必须导出证书。输入:

keytool -export -rfc -alias testkeypair -file mycert.crt 
输入keystore密码：  abc123
保存在文件中的认证 <mycert.crt>


这样，就得到了一个自签的证书mycert.crt。注意，选项rfc是把证书输出为RFC1421定义的、用Base64最终编码的格式。



读取证书


Java为安全应用提供了丰富的API，J2SDK1.4 的JSSE (JavaTM Secure Socket Extension) 包括javax.security.certificate包，并且提供对证书的操作方法。而对证书的读操作，只用java.security.cert. CertificateFactory和java.security.cert.X509Certificate就可以了。下面是读取证书内容的部分代码：

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import javax.swing.table.*;
import java.security.cert.CertificateFactory;
import java.security.cert.X509Certificate;
import java.io.*;
public class CARead extends JPanel {
private String CA_Name;
private String CA_ItemData[][] = new String[9][2];
private String[] columnNames = {"证书字段标记","内容" };
public CARead(String CertName) {
  CA_Name=CertName;
  /* 三个Panel用来显示证书内容*/
  JTabbedPane tabbedPane = new JTabbedPane();
  JPanel panelNormal = new JPanel();
  tabbedPane.addTab("普通信息", panelNormal);  
  JPanel panelAll=new JPanel();
  panelAll.setLayout(new BorderLayout());
  tabbedPane.addTab("所有信息",panelAll);
  JPanel panelBase64=new JPanel();
  panelBase64.setLayout(new BorderLayout());
  tabbedPane.addTab("Base64编码信息",panelBase64);
  /* 读取证书常规信息 */
  Read_Normal(panelNormal);
  /* 读取证书文件字符串表示内容 */
  Read_Bin(panelAll);
  /* 读取证原始Base64编码形式的证书文件 */
  Read_Raw(panelBase64);
  tabbedPane.setSelectedIndex(0);
  setLayout(new GridLayout(1, 1));
  add(tabbedPane);
}
  /*以下是定义的Read_Normal()，Read_Bin(),Read_Raw()以及main()
  这里省略...   */ 
}


定义证书信息的读取函数如下：

private int Read_Normal(JPanel panel){
String Field;
try{
  CertificateFactory certificate_factory=CertificateFactory.getInstance("X.509");
  FileInputStream file_inputstream=new FileInputStream(CA_Name);
  X509Certificate
x509certificate=(X509Certificate)certificate_factory.generateCertificate
(file_inputstream);
  Field=x509certificate.getType();
  CA_ItemData[0][0]="类型";
  CA_ItemData[0][1]=Field;
  Field=Integer.toString(x509certificate.getVersion());
  CA_ItemData[1][0]="版本";
  CA_ItemData[1][1]=Field;
  Field=x509certificate.getSubjectDN().getName();
  CA_ItemData[2][0]="标题";
  CA_ItemData[2][1]=Field;
  /* 以下类似，这里省略
  Field=x509certificate.getNotBefore().toString();得到开始有效日期
  Field=x509certificate. getNotAfter().toString();得到截止日期
  Field=x509certificate.getSerialNumber().toString(16);得到序列号
  Field=x509certificate.getIssuerDN().getName();得到发行者名
  Field=x509certificate.getSigAlgName();得到签名算法
  Field=x509certificate.getPublicKey().getAlgorithm();得到公钥算法 */
  file_inputstream.close();
  final JTable table = new JTable(CA_ItemData, columnNames);
  TableColumn tc=null;
  tc = table.getColumnModel().getColumn(1);
  tc.setPreferredWidth(600);
  panel.add(table);
}catch(Exception exception){
  exception.printStackTrace();
  return -1;
}
return 0;
}


如果以字符串形式读取证书，加入下面Read_Bin这个函数。其中CertificateFactory.generateCertificate() 这个函数可以从证书标准编码(RFC1421定义)中解出可读信息。Read_Bin函数代码如下：

private int Read_Bin(JPanel panel){
try{
  FileInputStream file_inputstream=new FileInputStream(CA_Name);
  DataInputStream data_inputstream=new DataInputStream(file_inputstream);
  CertificateFactory certificatefactory=CertificateFactory.getInstance("X.509");
  byte[] bytes=new byte[data_inputstream.available()];
  data_inputstream.readFully(bytes);
  ByteArrayInputStream bais=new ByteArrayInputStream(bytes);
  JEditorPane Cert_EditorPane;
  Cert_EditorPane=new JEditorPane();
  while(bais.available()>0){
  X509Certificate
Cert=(X509Certificate)certificatefactory.generateCertificate(bais);
  Cert_EditorPane.setText(Cert_EditorPane.getText()+Cert.toString());
}
Cert_EditorPane.disable();
JScrollPane edit_scroll=new JScrollPane(Cert_EditorPane);
panel.add(edit_scroll);
file_inputstream.close();
data_inputstream.close();
}catch( Exception exception){
  exception.printStackTrace();
  return -1;
}
return 0;
}


如果要得到原始证书编码后的信息，则可用如下代码：

private int Read_Raw(JPanel panel){
try{
  JEditorPane Cert_EditorPane=new JEditorPane();
  String CertText=null;
  File inputFile = new File(CA_Name);
  FileReader in = new FileReader(inputFile);
  char[] buf=new char[2000];
  int len=in.read(buf,0,2000);
  for(int i=1;i<len;i++)
  {  
   CertText=CertText+buf[i];
  }
  in.close();
  Cert_EditorPane.setText(CertText);
  Cert_EditorPane.disable();
  JScrollPane edit_scroll=new JScrollPane(Cert_EditorPane);
  panel.add(edit_scroll);
}catch( Exception exception){
  exception.printStackTrace();
  return -1;
}
return 0;
}


最后用这个小程序看一看刚才生成的证书mycert.crt内容，把文件名写入main()中：

public static void main(String[] args) {
JFrame frame = new JFrame("证书阅读器");
frame.addWindowListener(new WindowAdapter() {
  public void windowClosing(WindowEvent e) {System.exit(0);}
});
frame.getContentPane().add(new CARead("mycert.crt"),BorderLayout.CENTER);
frame.setSize(700, 425);
frame.setVisible(true);
}


证书mycert.crt的内容显示如图2所示，所有信息和Base64的显示内容，这里不再列举。








图2 证书mycert.crt的内容显示

现在已经读取了证书的一些内容，那么怎样使用证书呢？我们可以假设A和B要共享一个绝密的文件F，B信任并拥有A的证书，也就是说B拥有A的公钥。那么A通过A和B共知的加密算法(对称密钥算法，比如DES算法)先加密文件F，然后对加密后的F进行签名和散列摘要(比如MD5算法，目的是保证文件的完整性)，然后把F发送到B。B收到文件后，先用A的证书中的公钥验证签名，然后再用通过共知的加密算法解密，就可以得到原文件了。这里使用的数字签名，可以保证B得到的文件，就是A的，A不能否认其不拥有文件F，因为只有A拥有可以让A的公钥验证其签名的私钥，同时这里使用DES算法加密，使得文件有保密性。

使用DES算法的加密解密函数类似，这里不对加密算法做进一步讨论，详细请看J2SDK的JSE部分内容，加密签名、解密验证文件结构见图3。






图3 加密签名、解密验证文件结构图


加密函数中的desKeyData存放DES加密密钥，如果要在程序中指定，可以设置为：

static byte[] desKeyData = { (byte)0x01, (byte)0x02, (byte)0x03, (byte)0x04,
(byte)0x05, (byte)0x06, (byte)0x07, (byte)0x08 };


加密函数写成：

public static void crypt(byte[] cipherText,String outFileName){
try{
  DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(desKeyData);
  SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
  SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);
  Cipher cdes = Cipher.getInstance("DES");
  cdes.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
  byte[] ct = cdes.doFinal(cipherText);
  try{
   FileOutputStream out=new FileOutputStream(outFileName);
   out.write(ct);
   out.close();
  }catch(IOException e){
   e.printStackTrace();
  }
}catch (Exception e){
  e.printStackTrace();
}
}


其中ct就是加密后的内容,outFileName保存加密后文件的文件名。把cdes.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey)换成cdes.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey)就是解密文件了。

文件加密后就要对文件签名，保证A发送到B的文件不可伪造。下面是用存放在.keystore中的私钥进行签名的函数，签名使用的摘要算法是MD5。其中sigText是被签名内容的输入数组，outFileName是保存签名后输出文件的名称，KeyPassword是读取Keystore使用的密码，KeyStorePath是存放.keystore文件的路径，函数代码如下：

public static void sig(byte[] sigText, String outFileName,String
KeyPassword,String KeyStorePath){
char[] kpass;
int i;
try{
  KeyStore ks = KeyStore.getInstance("JKS");
  FileInputStream ksfis = new FileInputStream(KeyStorePath);
  BufferedInputStream ksbufin = new BufferedInputStream(ksfis); 
  kpass=new char[KeyPassword.length()];
  for(i=0;i<KeyPassword.length();i++)
   kpass[i]=KeyPassword.charAt(i);
  ks.load(ksbufin, kpass);
  PrivateKey priv = (PrivateKey) ks.getKey(KeystoreAlias,kpass );
  Signature rsa=Signature.getInstance("MD5withRSA"); 
  rsa.initSign(priv);
  rsa.update(sigText);
  byte[] sig=rsa.sign();
  System.out.println("sig is done");
  try{
   FileOutputStream out=new FileOutputStream(outFileName);
   out.write(sig);
   out.close();
  }catch(IOException e){
   e.printStackTrace();
  }   
}catch(Exception e){
  e.printStackTrace();
}
}


验证签名需要存放签名文件和被签名的文件以及证书，其中，updateData存放被签名文件的内容，sigedText存放得到的签名内容，CertName是证书名。验证签名代码如下：

public static void veriSig(byte[] updateData, byte[] sigedText){
    try{ 
        CertificateFactory
certificatefactory=CertificateFactory.getInstance("X.509");
FileInputStream fin=new FileInputStream(CertName);
X509Certificate
certificate=(X509Certificate)certificatefactory.generateCertificate(fin);
    PublicKey pub = certificate.getPublicKey();
    Signature rsa=Signature.getInstance("MD5withRSA");
        rsa.initVerify(pub);
        rsa.update(updateData);
        boolean verifies=rsa.verify(sigedText);
        System.out.println("verified "+verifies);
        if(verifies){
               System.out.println("Verify is done!");
          }else{
               System.out.println("verify is not successful");
        }    
  }catch(Exception e){   
            e.printStackTrace();           
}
}


可以用keytool产生两个自签的签名证书，或者到某个CA去申请两个证书。用Java编写加密和验证程序，上述例子只是一个非常简单的证书应用，实际协议对证书的使用(比如SSL)要比这个复杂多了。