Java ECDSA使用总结

ゝ一纸荒年。 2023-10-07 10:04 40阅读 0赞

## 1. 说明 ##

与合作机构对接时，合作机构使用ECDSA算法用于交易签名。

ECDSA为公开密钥加密算法。

以下为wiki（[https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A4%AD%E5%9C%86%E6%9B%B2%E7%BA%BF%E6%95%B0%E5%AD%97%E7%AD%BE%E5%90%8D%E7%AE%97%E6%B3%95][https_zh.wikipedia.org_wiki_E6_A4_AD_E5_9C_86_E6_9B_B2_E7_BA_BF_E6_95_B0_E5_AD_97_E7_AD_BE_E5_90_8D_E7_AE_97_E6_B3_95]）中关于ECDSA的说明：

椭圆曲线数字签名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，缩写ECDSA）是一种被广泛应用于数字签名的加密算法。

## 2. Java对ECDSA的支持 ##

### 2.1 JDK支持 ###

参考“Java Cryptography Architecture Oracle Providers Documentation for JDK 8”（[https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/security/SunProviders.html][https_docs.oracle.com_javase_8_docs_technotes_guides_security_SunProviders.html]）。

JDK 8的SunEC Provider支持的ECDSA算法如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">NONEwithECDSA</p> <p style="margin-left:0cm;">SHA1withECDSA</p> <p style="margin-left:0cm;">SHA224withECDSA</p> <p style="margin-left:0cm;">SHA256withECDSA</p> <p style="margin-left:0cm;">SHA384withECDSA</p> <p style="margin-left:0cm;">SHA512withECDSA</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

默认密钥长度为256，支持的密钥长度为112至571（含）。

以下均使用JDK支持的ECDSA实现。

### 2.2 bouncycastle支持 ###

bouncycastle提供了对ECDSA的支持，说明略。

## 3. 密钥生成 ##

### 3.1 Java生成 ###

可使用以下Java代码生成ECDSA密钥对。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.<em>getInstance</em>(</span><strong><span style="color:#008000;">"EC"</span></strong><span style="color:#000000;">);<br> keyPairGenerator.initialize(</span><span style="color:#0000ff;">256</span><span style="color:#000000;">);<br> KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();<br> ECPublicKey ecPublicKey = (ECPublicKey) keyPair.getPublic();<br> ECPrivateKey ecPrivateKey = (ECPrivateKey) keyPair.getPrivate();</span></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

KeyPairGenerator类的initialize方法用于设置密钥长度；

ECPublicKey对象为生成的ECDSA公钥；

ECPrivateKey对象为生成的ECDSA私钥。

### 3.2 openssl生成 ###

可使用以下openssl命令生成ECDSA密钥对。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">openssl ecparam -list_curves</p> <p style="margin-left:0cm;">openssl ecparam -genkey -name secp521r1 -noout -out ECDSAPrivateKey.pem</p> <p style="margin-left:0cm;">openssl ec -in ECDSAPrivateKey.pem -pubout -outform PEM -out ECDSAPublicKey.pem</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

“openssl ecparam -list\_curves”命令用于查看EC参数。

“openssl ecparam -genkey”命令用于生成ECDSA私钥。

“openssl ec -in ... -pubout”命令用于根据ECDSA私钥生成ECDSA公钥。

## 4. PEM密钥文件读取 ##

使用openssl命令生成的ECDSA密钥为PEM格式，不是二进制形式，私钥内容经过BASE64编码后，包含在“-----BEGIN EC PRIVATE KEY-----”与“-----END EC PRIVATE KEY-----”之间。

可使用bouncycastle的PEMReader类读取PEM密钥文件中的密钥，读取ECDSA私钥的示例代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <pre style="margin-left:0cm;"><code>PEMReader pemReader = new PEMReader(new FileReader([私钥文件路径]));

Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

KeyPair keyPair = (KeyPair) pemReader.readObject();

return keyPair.getPrivate();</code></pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 5. 生成签名 ##

### 5.1 生成签名示例代码 ###

生成ECDSA签名示例代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <pre style="margin-left:0cm;"><code>Signature signature = Signature.getInstance(algorithm);

signature.initSign(privateKey);

signature.update(bytes);

byte[] signResult = signature.sign();</code></pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

以上algorithm为String类型的签名算法，如“NONEwithECDSA”“SHA1withECDSA”等；

privateKey为PrivateKey类型的私钥；

bytes为byte\[\]类型的原始数据；

byte\[\] signResult为签名结果。

### 5.2 NONEwith与SHA\[x\]with算法的区别 ###

当使用“NONEwithECDSA”算法进行签名时，直接对原始数据进行ECDSA签名，不会事先对原始数据进行HASH。

当使用“SHA\[x\]withECDSA”算法进行签名时，会先对原始数据进行SHA\[x\]算法HASH，再对HASH结果的二进制形式进行ECDSA签名。

HASH示例代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <pre style="margin-left:0cm;"><code>MessageDigest md = MessageDigest.getInstance(algorithm);

byte[] digestResult = md.digest(bytes);</code></pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

以上algorithm为String类型的签名算法，如“SHA-1”“SHA-256”等，对应ECDSA算法中的“SHA\[x\]”；

bytes为byte\[\]类型的原始数据；

byte\[\] digestResult为HASH结果。

通过以上代码先使用SHA\[x\]算法生成原始数据的HASH，再对HASH结果的二进制形式进行ECDSA签名，与直接使用“SHA\[x\]withECDSA”算法对原始数据进行ECDSA签名，效果相同。

### 5.3 签名结果不唯一 ###

经测试，使用相同的原始数据，相同的算法，生成ECDSA签名时，每次产生的签名结果的长度与内容均可能不同。

关于以上现象，“Deterministic Usage of the Digital Signature Algorithm (DSA) and Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA)”（[https://www.ietf.org/rfc/rfc6979.txt][https_www.ietf.org_rfc_rfc6979.txt]）有以下说明：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">One characteristic of DSA and ECDSA is that they need to produce, for each signature generation, a fresh random value (hereafter designated as k).&nbsp;&nbsp;For effective security, k must be chosen randomly and uniformly from a set of modular integers, using a cryptographically secure process.</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">DSA和ECDSA的一个特征是它们需要为每个签名生成产生新的随机值（以下称为k）。为了有效的安全性，必须使用加密安全过程从一组模块化整数中随机均匀地选择k。</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 6. 签名验证 ##

合作机构系统不使用Java实现，使用openssl库对ECDSA签名进行验证。

因此以下使用openssl命令验证ECDSA签名。

### 6.1 openssl命令 ###

openssl的dgst命令可用于数字签名与验证，说明可见[https://wiki.openssl.org/index.php/Command\_Line\_Utilities\#Signing\_.2F\_Digest][https_wiki.openssl.org_index.php_Command_Line_Utilities_Signing_.2F_Digest]。

OpenSSL 1.0.1e版本的dgst命令，支持的ecdsa-with-SHA\[x\]算法如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">ecdsa-with-SHA1</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

dgst命令，支持的sha\[x\]算法如下：

使用ecdsa-with-SHA\[x\]算法与sha\[x\]算法的验证效果相同。

\[x\]与前文生成签名Java代码的SHA\[x\]withECDSA中的\[x\]应一致，在生成签名与验证签名时，使用相同的算法。

### 6.2 签名验证命令 ###

#### 6.2.1 使用文件作为原始数据 ####

可使用以下命令验证签名：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">openssl dgst -ecdsa-with-SHA[x] -verify [公钥文件] -signature [签名结果文件] [原始文件]</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">openssl dgst -sha[x] -verify [公钥文件] -signature [签名结果文件] [原始文件]</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

以上\[公钥文件\]应为\[签名结果文件\]生成时使用的私钥（对应前文生成签名Java代码中的PrivateKey privateKey）对应的公钥；

\[签名结果文件\]为签名结果（对应前文生成签名Java代码中的byte\[\] signResult）的二进制形式保存的文件；

\[原始文件\]为原始数据（对应前文生成签名Java代码中的byte\[\] bytes）的二进制形式保存的文件。

#### 6.2.2 使用标准输入作为原始数据 ####

也可使用以下使用以下命令验证签名：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">echo [原始数据] | openssl dgst -ecdsa-with-SHA[x] -verify [公钥文件] -signature [签名结果文件]</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="vertical-align:top;"> <p style="margin-left:0cm;">echo [原始数据] | openssl dgst -sha[x] -verify [公钥文件] -signature [签名结果文件]</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\[原始数据\]为原始数据（对应前文生成签名Java代码中的byte\[\] bytes）的字符串形式，需要为可见字符。

#### 6.2.3 验证结果 ####

当签名验证成功时，提示为“Verified OK”；验证失败时，提示为“Verification Failure”；命令有误时，提示为其他信息。

经测试，使用前文的Java代码，先通过SHA\[x\]算法生成原始数据的HASH，再对HASH结果的二进制形式进行ECDSA签名，与直接使用“SHA\[x\]withECDSA”算法对原始数据进行ECDSA签名，生成的签名均能通过验证。

[https_zh.wikipedia.org_wiki_E6_A4_AD_E5_9C_86_E6_9B_B2_E7_BA_BF_E6_95_B0_E5_AD_97_E7_AD_BE_E5_90_8D_E7_AE_97_E6_B3_95]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A4%AD%E5%9C%86%E6%9B%B2%E7%BA%BF%E6%95%B0%E5%AD%97%E7%AD%BE%E5%90%8D%E7%AE%97%E6%B3%95
[https_docs.oracle.com_javase_8_docs_technotes_guides_security_SunProviders.html]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/security/SunProviders.html
[https_www.ietf.org_rfc_rfc6979.txt]: https://www.ietf.org/rfc/rfc6979.txt
[https_wiki.openssl.org_index.php_Command_Line_Utilities_Signing_.2F_Digest]: https://wiki.openssl.org/index.php/Command_Line_Utilities#Signing_.2F_Digest