在线支付系列【4】支付安全之数字签名

本是古典何须时尚 2023-10-09 15:21 84阅读 0赞

> **有道无术，术尚可求，有术无道，止于术。**

#### 文章目录 ####

*   *  信息摘要
     *   *  摘要算法
         *  数据完整性
     *  数字签名
     *   *  签名流程
         *  验签流程
         *  实现代码

### 信息摘要 ###

`信息摘要`就是一段数据的特征信息，当数据发生了改变，信息摘要也会发生改变，发送方会将数据和信息摘要一起传给接收方，接收方会根据接收到的数据重新生成一个信息摘要，若此摘要和接收到的摘要相同，则说明数据正确。

**信息摘要是由哈希函数生成的**。

`信息摘要`原数据通过某个算法生成的一个固定长度的单向`Hash`散列值。特点：

*  `固定长度`：不论原文内容多大，其生成的信息摘要都是固定长度的。
 *  `不可重`：任何不同的输入数据，都会产生不同的信息摘要。
 *  `单向性`：即只能由数据生成信息摘要，不能由信息摘要还原数据。

![在这里插入图片描述][695492da6bdb4343b85a6e59cfe35043.png]

#### 摘要算法 ####

`摘要算法`又称哈希算法、散列算法。通过哈希函数，计算出数据的哈希值。

常用算法有：

*  **MD**：消息摘要算法
 *  **SHA**：安全散列算法
 *  **Mac**：消息认证码算法

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>算法</th> 
   <th>输出长度（位）</th> 
   <th>输出长度（字节）</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>SM3</td> 
   <td>256 bits</td> 
   <td>32 bytes</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MD5</td> 
   <td>128 bits</td> 
   <td>16 bytes</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SHA-1</td> 
   <td>160 bits</td> 
   <td>20 bytes</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RipeMD-160</td> 
   <td>160 bits</td> 
   <td>20 bytes</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SHA-256</td> 
   <td>256 bits</td> 
   <td>32 bytes</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SHA-512</td> 
   <td>512 bits</td> 
   <td>64 bytes</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

基于`JDK`的摘要算法实现：

private static String getMd(String message) throws NoSuchAlgorithmException {
        
            // 获取消息摘要对象
            MessageDigest messageDigest = MessageDigest.getInstance("MD5");
            // 更新摘要，传入原文数据
            messageDigest.update(message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            // 运行获取摘要值
            byte[] result = messageDigest.digest();
            return Base64.getEncoder().encodeToString(result);
        }

#### 数据完整性 ####

可以使用信息摘要保证数据完整性，防止被篡改。  
![在这里插入图片描述][42a52f242c814977a1884f8d9c5f1fa1.png]  
工作流程：

1.  小明将信息进行摘要计算，将摘要标记在情书中发送给小红
2.  小红收到信件后，对信息计算摘要，对比自己计算的摘要是否和情书中的一致，若不一致，则说明被篡改过，内容不可信

实现代码：

public static void main(String[] args) throws Exception {
        
            // 获取信息摘要
            String message = "爱老虎油~";// 原文
            String md = getMd(message);
    
            // 验证数据完整性
            String sendUpdateMsg = "爱老虎油~哈哈";// 被篡改
            String mdUpdate = getMd(sendUpdateMsg);
            if (md.equals(mdUpdate)){
        
                System.out.println("摘要信息一致，未被篡改");
            }else {
        
                System.out.println("摘要信息不一致，被篡改");
            }
    
            String sendMsg = "爱老虎油~";// 未篡改
            String sendMd = getMd(sendMsg);
            if (md.equals(sendMd)){
        
                System.out.println("摘要信息一致，未被篡改");
            }else {
        
                System.out.println("摘要信息不一致，被篡改");
            }
        }

### 数字签名 ###

上述流程还存在缺陷，如果情书被非法拦截，将篡改后的摘要附在信件上，小红收到后，使用被篡改的摘要进行对比，结果始终会一致，并不能发现数据已被篡改。

这个时候需要加入`非对称加密`，使用`数字签名`技术。

`数字签名(Digital Signature)`，一般是附加在某一电子文档中的一组特定的符号或代码，用于表示签发者的身份以及签发者对电子文档的认可，并能被接收者用来验证该电子文档在传输过程中是否被篡改或伪造。

一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于**签名**，另一个用于**验证**。数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。签名算法或签名密钥是秘密的，只有签名人掌握。验证算法是公开的，以便他人进行验证。

基于密码学的数字签名有着如下的优势：

*  **消息源认证性**：数字签名可以表示签发者的身份，也就是说具有消息源认证性。
 *  **不可否认性**：数字签名生成时需要输入签名者私钥。换句话说，数字签名对应唯一签名主体，并且签名者需要承担不可推卸的责任，即数字签名可以实现不可否认性。
 *  **消息完整性**：数字签名可以检查电子文档在传输过程中是否被篡改或伪造，即保障消息完整性。

#### 签名流程 ####

首先生成非对称秘钥。  
![在这里插入图片描述][96279992fb9844e2ba4b13382cfacf11.png]  
签名流程如下：

1.  小明使用摘要算法对原文进行摘要计算，生成数据指纹（摘要）。
2.  使用私钥将摘要进行加密，得到数字签名，并将其附在文档中，发送给小红  
    ![在这里插入图片描述][cfc69385b92e4f47be4b391171a65863.png]

#### 验签流程 ####

验签流程如下：

1.  小红取出签名，使用公钥解密摘要，得要小明的摘要。
2.  对文档进行摘要计算，对比两个摘要是否一致。  
    ![在这里插入图片描述][5b352af4f97d4230a886e10a11812318.png]

还可以加入对称算法，对原文数据进行加密，安全性更高。

如果第三方冒充发送方发送了一个文件，因为接收方在对数字签名进行解密时使用的是发送方的公开密钥，只要第三方不知道发送方的私用密钥，解密出来的数字摘要与计算机计算出来的新摘要必然是不同的。这就提供了一个安全的确认发送方身份的方法。

#### 实现代码 ####

使用`JDK`实现数字签名：

// 原文
            String message = "爱老虎油~";
            byte[] result = message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            String md = Base64.getEncoder().encodeToString(result);
            System.out.println("原文数据：" + md);
    
            // 2. 签名
            // 将私钥字符串转为私钥对象
            String privateKeyBase64 = "MIIBVQIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAT8wggE7AgEAAkEAwQLaA6koZPMJ0nh+Vvo6P1CZvBUA2bAufTMGRkg16kYR5ae85HGW15qRIrTc7ZeC0dIbJbivnbQoG28oRx0UAQIDAQABAkEAmQgjx6dFadTxQrlaoqe/qxfC7MdSZ0czdP0RyoPSi64k942Rj46in5zDw60SynysVvMmVinxPPFS+6rv5kIWaQIhAPMXt8l7jPGmF6pYTmE2cx9OjB4Q9q8uhfIKZc0E7T9HAiEAy0JkNwSVxK76I9mFZpoRSfH37xAqLyUKhdCRAn5fBncCIQDGw3Pg6Ia750SeYgnkbrL+vCjRRKmPX4jh+SJ32jlqbQIgIXe6FpELtAn3qAV+AKnnpNxRraxktcSMmgIAjn+OV/sCIFlpFzkKXkW2cTv6oVHbFkqgrDPhTAXbshsa/U301Oac";
            PKCS8EncodedKeySpec privateKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(Base64.getDecoder().decode(privateKeyBase64));
            KeyFactory privateKeyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PrivateKey privateKeyByValue = privateKeyFactory.generatePrivate(privateKeySpec);
            // 实例化签名对象
            Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
            // 初始化 传入私钥
            signature.initSign(privateKeyByValue);
            // 更新签名,传入摘要值
            signature.update(Base64.getDecoder().decode(md));
            // 签名，获取签名
            byte[] enSign = signature.sign();
            String singData = Base64.getEncoder().encodeToString(enSign);
            System.out.println("签名数据：" + singData);
    
    
            // 验签
            // 将公钥字符串转为公钥对象
            String publicKeyBase64 = "MFwwDQYJKoZIhvcNAQEBBQADSwAwSAJBAMEC2gOpKGTzCdJ4flb6Oj9QmbwVANmwLn0zBkZINepGEeWnvORxlteakSK03O2XgtHSGyW4r520KBtvKEcdFAECAwEAAQ==";
            X509EncodedKeySpec bobPubKeySpec = new X509EncodedKeySpec(Base64.getDecoder().decode(publicKeyBase64));
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            PublicKey publicKeyByValue = keyFactory.generatePublic(bobPubKeySpec);
            // 实例化 签名对象
            Signature verifySignature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
            // 初始化,传入公钥
            verifySignature.initVerify(publicKeyByValue);
            // 更新签名，传入签名前摘要数据
            verifySignature.update(Base64.getDecoder().decode(md));
            // 验证，传入签名数据
            boolean verify = verifySignature.verify(Base64.getDecoder().decode(singData));
            System.out.println("验签结果：" + verify);

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