ECDSA数字签名

一，实验目的

通过使用密码学库实现基于椭圆曲线的签名方案，能够编写简单的实验代码进行正确的ECDSA签名和验证。

二、实验要求

熟悉ECDSA算法基本原理；
了解如何使用Java简单实现用ECDSA算法；
掌握用ECDSA签名算法的简单代码实验。

三、开发环境

JDK1.8，Java相关开发环境（本实验采用Windows+eclipse作为实验环境）要求参与实验的同学提前安装好jdk

四、实验内容

【1-1】 ECDSA签名和验证实验
1.使用如下的函数进行系统初始化并产生密钥：

public static void KeyGenerator() throws Exception {
//        //初始化签名
System.out.println("系统正在初始化……");
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
        keyPairGenerator.initialize(256);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        ECPublicKey ecPublicKey = (ECPublicKey)keyPair.getPublic();
        ECPrivateKey ecPrivateKey = (ECPrivateKey)keyPair.getPrivate();
//把公钥和私钥分别存储在publicKey.key和privateKey.key文件里
String path = new File("").getCanonicalPath();
out(path + "\\privateKey.key", Base64.getEncoder().encodeToString(ecPrivateKey.getEncoded()));
out(path + "\\publicKey.key",Base64.getEncoder().encodeToString(ecPublicKey.getEncoded()));
        System.out.println("你的公钥存放在：" + path + "\\publicKey.key");
        System.out.println("你的私钥存放在：" + path + "\\privateKey.key");
        System.out.println("系统已完成初始化。");
    }

其中，使用public static KeyPairGenerator getInstance(String algorithm);产生密钥对生成器，这个方法需要一个字符串作为参数，用于说明使用哪个密钥算法，例如本算法中使用椭圆曲线“EC”。
使用public void initialize(int keysize);初始化密钥对。参数keysize用于说明生成的key的长度，理论上说是这个参数的值越大，加密的数据就越难以被破解，但在加密时也越消耗计算资源。
使用keyPairGenerator.generateKeyPair().getPublic();动态生成公钥
使用keyPairGenerator.generateKeyPair().getPrivate();动态生成私钥

2.使用如下的函数执行签名过程：
//执行签名过程

public static byte[] SignGen(byte[] ECprivateKey) throws Exception {
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(ECprivateKey);
    PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
    Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA");
    signature.initSign(privateKey);
    signature.update(data.getBytes());
byte[] result = signature.sign();
return result;
}

其中，使用KeyFactory.getInstance(String algorithm);实例化一个密钥工厂，这个方法需要一个字符串作为参数，用于说明使用哪个密钥算法，例如本算法中使用椭圆曲线“EC”。
使用new PKCS8EncodedKeySpec(ECprivateKey) ;和keyFactory.generatePrivate(pkcs8En
codedKeySpec);将私钥从字节数组转换为私钥
使用Signature.getInstance(String algorithm);指定签名使用的哈希函数，本算法中使用SHA1
使用signature.initSign(privateKey);和signature.update(data.getBytes());为消息签名

3.使用如下的函数实现验证签名：
//验证签名过程

public static booleanVerifiGen(byte[] ECpublicKey, byte[] result) throws Exception {
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
    X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(ECpublicKey);
    PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
    Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA");
    signature.initVerify(publicKey);
    signature.update(data.getBytes());
boolean bool = signature.verify(result);
return bool;
}

其中，使用KeyFactory.getInstance(String algorithm);实例化一个密钥工厂，这个方法需要一个字符串作为参数，用于说明使用哪个密钥算法，例如本算法中使用椭圆曲线“EC”。
使用new PKCS8EncodedKeySpec(ECpublicKey) ;和keyFactory.generatePrivate(pkcs8En
codedKeySpec);将公钥从字节数组转换为公钥
使用Signature.getInstance(String algorithm);指定签名使用的哈希函数，本算法中使用SHA1
使用signature.initVerify(publicKey); 和signature.update(data.getBytes());验证签名是否正确
使用signature.verify(result);返回验证结果，true orfalse

【1-2】参考代码

package ECDSA.demo;

import java.io.*;
import java.security.*;
import java.security.interfaces.ECPrivateKey;
import java.security.interfaces.ECPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.Base64;
import java.util.Scanner;

public class ECDSA {
private  static String data ;
//初始化系统
public static void KeyGenerator() throws Exception {
        System.out.println("系统正在初始化……");
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
        keyPairGenerator.initialize(256);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
        ECPublicKey ecPublicKey = (ECPublicKey)keyPair.getPublic();
        ECPrivateKey ecPrivateKey = (ECPrivateKey)keyPair.getPrivate();
//把公钥和私钥分别存储在publicKey.key和privateKey.key文件里
String path = new File("").getCanonicalPath();
out(path + "\\privateKey.key", Base64.getEncoder().encodeToString(ecPrivateKey.getEncoded()));
out(path + "\\publicKey.key",Base64.getEncoder().encodeToString(ecPublicKey.getEncoded()));
        System.out.println("你的公钥存放在：" + path + "\\publicKey.key");
        System.out.println("你的私钥存放在：" + path + "\\privateKey.key");
        System.out.println("系统已完成初始化。");
   }
//执行签名过程
public static byte[] SignGen(byte[] ECprivateKey) throws Exception {
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(ECprivateKey);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
        PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA");
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(data.getBytes());
byte[] result = signature.sign();
return result;
    }
//验证签名过程
public static boolean VerifiGen(byte[] ECpublicKey, byte[] result) throws Exception {
        X509EncodedKeySpec  x509encodedkeyspec= new  X509EncodedKeySpec(ECpublicKey);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
        PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509encodedkeyspec);
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withECDSA");
        signature.initVerify(publicKey);
        signature.update(data.getBytes());
boolean bool = signature.verify(result);
return bool;
    }
//封装输出流
public static void out(String path, String val) {
try {
            val = Base64.getEncoder().encodeToString(val.getBytes("utf-8"));
            FileWriter fw = new FileWriter(path);
            BufferedWriter bw = new BufferedWriter(fw);
            PrintWriter outs = new PrintWriter(bw);
            outs.println(val);
            outs.flush();
            outs.close();
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }

//    从文件中读取公私钥
public static byte[] read(String path){
byte[] sk = null;
try {
            File f=new File(path);
            FileReader fr=new FileReader(f);
            BufferedReader br=new BufferedReader(fr);
            String line=null;
            StringBuffer sb=new StringBuffer();
while((line=br.readLine())!=null) {
byte[] b = Base64.getDecoder().decode(line);
                String[] key = new String(b,"utf-8").split(",,,,,,");
                System.out.println("\n");
if(key.length == 1){
                    sk = Base64.getDecoder().decode(key[0]);
                }
else{
throw new Exception("文件错误");
                }
            }
            br.close();
return sk;
        }
catch(Exception ex)
        {
            ex.printStackTrace();
        }
return sk;
    }

public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
try {
KeyGenerator();

            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            String str = "";
//输入要签名的信息
sc.useDelimiter("\n");
            System.out.print("\n"+"请输入输入要签名的信息按回车结束：");
if (sc.hasNext()) {
data = sc.next();
            }
//获取私钥地址
sc.useDelimiter("\n");
            System.out.print("\n"+"请输入私钥地址按回车结束：");
if (sc.hasNext()) {
                str = sc.next();
            }
//获取私钥
byte[] ECprivateKey = read(str.substring(0,str.length()-1));
//产生签名
byte[] result = SignGen(ECprivateKey);
            System.out.println("数字签名的结果："+ Base64.getEncoder().encodeToString(result));
new Scanner(System.in);
            sc.useDelimiter("\n");
            System.out.print("\n"+"请输入公钥地址按回车结束：");
if (sc.hasNext()) {
                str = sc.next();
            }
//获取公钥
byte[] ECpublicKey = read(str.substring(0,str.length()-1));
boolean bool = VerifiGen(ECpublicKey, result);
if(bool == true){
                System.out.println("数字签名的验证结果：通过验证！");
            }
else {
                System.out.println("请检查地址输入地址是否有误或文件内容是否被篡改！");
            }
        } catch (Exception ex) {
            System.out.println("请检查地址输入地址是否有误或文件内容是否被篡改！");
//            System.out.println(ex);
}
    }
}

【1-4】扩展参考资料
1、 ESCDA算法原理：
ECDSA是ECC与DSA的结合，签名算法为ECC。
签名过程如下：
1、选择一条椭圆曲线Ep(a,b)，和基点G；
2、选择私有密钥k（k<n，n为G的阶），利用基点G计算公开密钥K=kG；
3、产生一个随机整数r（r<n），计算点R=rG；
4、将原数据和点R的坐标值x,y作为参数，计算SHA1做为hash，即Hash=SHA1(原数据,x,y)；
5、计算s≡r - Hash * k (mod n)
6、r和s做为签名值，如果r和s其中一个为0，重新从第3步开始执行
验证过程如下：
1、接受方在收到消息(m)和签名值(r,s)后，进行以下运算
2、计算：sG+H(m)P=(x1,y1), r1≡ x1 mod p。
3、验证等式：r1 ≡ r mod p。
4、如果等式成立，接受签名，否则签名无效。

eclipse实现ECDSA数字签名

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