使用数字签名进行鉴权的设计实现

使用数字签名进行鉴权的实现

文章目录

• 使用数字签名进行鉴权的实现
• • 数字签名
  • • 数字签名拥有以下特性
    • 数字签名使用的主流程
    • 认证中心设计的简化变种
  • 实现采用RSA算法
  • 具体实现
  • • 鉴权的过程
    • JAVA实现类

数字签名

属于非对称密码加密系列。拥有公钥和私钥，是一组秘钥对。

发送者使用私钥加密数据，接收者使用公钥验证密文。

数字签名拥有以下特性

• 鉴别来源：接收者可以通过签名，知道是哪个发送者进行的签名。
• 防止否认：一旦进行数据签名，标记就在里面了。防止发送者抵赖。
• 防止伪造：防止接收者伪造发送者的签名。

数字签名使用的主流程

1.申请秘钥对 2.返回公钥和私钥 3.私钥加密后的数据 4.申请公钥 5.返回公钥 接收者 6.公钥解密数据 解密器 解密后的数据 认证中心 发送者

认证中心设计的简化变种

不对外公开，内部多系统之间的鉴权。可以有多个发送者
1.申请秘钥对 2.返回私钥1 3.私钥加密后的数据 1.申请秘钥对 2.返回私钥2 3.私钥加密后的数据 认证中心&接收者 4.公钥解密数据 解密器 解密后的数据 发送者1 发送者2

实现采用RSA算法

RSA是一种非对称加密算法，它使用一对密钥，其中一个公开用于加密，另一个保密用于解密。JDK中有对此的具体实现。

本文中的采用的JDK是JDK8版本。

具体实现

鉴权的过程

• 1.生成原始秘钥对
• 2.将原始秘钥对进行Base64编码,输出的都是编码后的字符串（禁止明文传输秘钥对）
• 3.私钥签名：
  • 将Base64编码的私钥，进行Base64解码，再使用秘钥进行签名加密，
  • 将原始的密文字节数组转换成十六进制字符串，输出的是16进制的密文字符串
• 4.公钥验证：
  • 默认接收到的密文是16进制的密文字符串。将Base64编码的公钥，进行Base64解码,
  • 再将接收的密文（十六进制字符串）转成byte数组（实际的密文），
  • 通过原始信息（实际的公钥，实际的密文，实际的原文）进行签名验证

JAVA实现类

RsaEncryptUtils

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.security.*;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;


public class RsaEncryptUtils {
    private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(RsaEncryptUtils.class);

    /**
     * 字节数据转字符串专用集合
     */
    private static final char[] HEX_CHAR = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'};

    private RsaEncryptUtils() {
        throw new IllegalAccessError("Utility class");
    }

    /**
     * 使用私钥进行加密签名
     *
     * @param data       待签名的数据
     * @param privateKey 私钥
     */
    public static byte[] rsaSign(byte[] data, RSAPrivateKey privateKey)
            throws SignatureException {
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA512withRSA");
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(data);
            return signature.sign();
        } catch (Exception e) {
            LOG.error(e.getMessage(), e);
            throw new SignatureException("RSA Content = " + new String(data) + "; charset = default", e);
        }
    }

    /**
     * 使用私钥进行加密签名，并将密文字节数组转成字符串
     *
     * @param data       待签名的数据
     * @param privateKey 私钥
     */
    public static String rsaSignToStr(byte[] data, RSAPrivateKey privateKey) throws SignatureException {
        try {
            return byteToHex(RsaEncryptUtils.rsaSign(data, privateKey));
        } catch (Exception e) {
            LOG.error(e.getMessage(), e);
            throw new SignatureException("RSA Content = " + new String(data) + "; charset = default", e);
        }
    }

    /**
     * RSA 进行验证签名
     *
     * @param data      待签名的数据
     * @param sign      私钥签名后的结果
     * @param publicKey 公钥
     */
    public static boolean verify(byte[] data, byte[] sign, RSAPublicKey publicKey)
            throws GeneralSecurityException {
        Signature signature = Signature.getInstance("SHA512withRSA");
        signature.initVerify(publicKey);
        signature.update(data);
        return signature.verify(sign);
    }

    /**
     * 随机生成秘钥组合
     */
    public static KeyPair generateKeyPair() throws SignatureException {
        KeyPairGenerator keyPairGenerator;
        try {
            keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
            keyPairGenerator.initialize(1024, new SecureRandom());
            return keyPairGenerator.genKeyPair();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            LOG.error(e.getMessage(), e);
            throw new SignatureException("密钥对生成失败:" + e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 将字符串的值转成公钥对象
     *
     * @param publicKeyStr 公钥的字符串值
     */
    public static RSAPublicKey loadPublicKey(String publicKeyStr)
            throws SignatureException {
        try {
            byte[] buffer = Base64Utils.decode(publicKeyStr);
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(buffer);
            return (RSAPublicKey) keyFactory.generatePublic(keySpec);
        } catch (Exception e) {
            LOG.error(e.getMessage(), e);
            throw new SignatureException("加载公钥数据失败:" + e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 将字符串的值转成私钥对象
     *
     * @param privateKeyStr 私钥的字符串值
     */
    public static RSAPrivateKey loadPrivateKey(String privateKeyStr)
            throws SignatureException {
        try {
            byte[] buffer = Base64Utils.decode(privateKeyStr);
            PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(buffer);
            KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
            return (RSAPrivateKey) keyFactory.generatePrivate(keySpec);
        } catch (Exception e) {
            LOG.error(e.getMessage(), e);
            throw new SignatureException("无此算法");
        }
    }

    /**
     * 字节数据转换成十六进制字符串
     *
     * @param data 字节数据
     */
    public static String byteArrayToString(byte[] data) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < data.length; i++) {
            // 取出字节的高四位 作为索引得到相应的十六进制标识符 注意无符号右移
            stringBuilder.append(HEX_CHAR[(data[i] & 0xf0) >>> 4]);
            // 取出字节的低四位 作为索引得到相应的十六进制标识符
            stringBuilder.append(HEX_CHAR[data[i] & 0xf0]);
            if (i < data.length - 1) {
                stringBuilder.append(' ');
            }
        }
        return stringBuilder.toString();
    }

    /**
     * byte转换hexString(十六进制字符串)
     */
    public static String byteToHex(byte[] byteArray) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        for (byte b : byteArray) {
            if (Integer.toHexString(0xFF & b).length() == 1) {
                stringBuilder.append("0").append(Integer.toHexString(0xFF & b));
            } else {
                stringBuilder.append(Integer.toHexString(0xFF & b));
            }
        }
        return stringBuilder.toString();
    }

    /**
     * hexString(十六进制字符串)转换成二进制byte数组
     */
    public static byte[] hexToByteArray(String inHex) {
        String s = inHex;
        int hexLen = s.length();
        byte[] result;
        if (hexLen % 2 != 0) {
            //奇数
            hexLen++;
            result = new byte[hexLen / 2];
            s = "0" + s;
        } else {
            //偶数
            result = new byte[hexLen / 2];
        }
        int j = 0;
        for (int i = 0; i < hexLen; i += 2) {
            result[j] = (byte) Integer.parseInt(s.substring(i, i + 2), 16);
            j++;
        }
        return result;
    }
}

Base64Utils

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class Base64Utils {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(Base64Utils.class);

    /**
     * 编码字符集
     */
    private static final char[] base64EncodeChars = new char[]
            {'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T',
                    'U', 'V', 'W', 'X', 'Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm',
                    'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z', '0', '1', '2', '3', '4', '5',
                    '6', '7', '8', '9', '+', '/'};
    /**
     * 解码用的字符集-ascii码索引映射base64字符索引
     */
    private static final byte[] base64DecodeChars = new byte[]
            {-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,
                    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 62, -1, -1, -1, 63, 52, 53,
                    54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,
                    12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 26, 27, 28, 29,
                    30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, -1, -1,
                    -1, -1, -1};

    private Base64Utils() {
        throw new IllegalAccessError("Utility class");
    }

    /**
     * 对字符串进行Base64解码实现（ASCII模式）
     * 1.将字符对应的base64字符集的索引转为6位有效位二进制数
     * 2.将每四个6位有效位二进制数进行以下操作
     * 2.1 第一个二进制数左移位2位，得到新二进制数的前6位，第二个二进制数 & 0x30之后右移位4位，或运算后得到第一个新二进制数
     * 2.2 第二个二进制数 & 0xf之后左移位4位，第三个二进制数 & 0x3c之后右移位2位，或运算后得到第二个新二进制数
     * 2.3 第二个二进制数 & 0x3之后左移位6位，与第四个二进制数或运算后得到第二个新二进制数
     * 3.根据ascII编码映射到对应字符后拼接字符串
     */
    private static byte[] decodePrivate(String str) throws UnsupportedEncodingException {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        byte[] data;
        // 获取字符串的ASCII字节数组
        data = str.getBytes(StandardCharsets.US_ASCII);
        int len = data.length;
        int i = 0;
        int b1, b2, b3, b4;
        while (i < len) {
            do {
                b1 = base64DecodeChars[data[i++]];
            } while (i < len && b1 == -1);

            if (b1 == -1) {
                break;
            }

            do {
                b2 = base64DecodeChars[data[i++]];
            } while (i < len && b2 == -1);

            if (b2 == -1) {
                break;
            }

            sb.append((char) ((b1 << 2) | ((b2 & 0x30) >>> 4)));

            do {
                b3 = data[i++];
                if (b3 == 61) {
                    return sb.toString().getBytes("ISO8859-1");
                }
                b3 = base64DecodeChars[b3];
            } while (i < len && b3 == -1);

            if (b3 == -1) {
                break;
            }
            sb.append((char) (((b2 & 0x0f) << 4) | ((b3 & 0x3c) >>> 2)));

            do {
                b4 = data[i++];
                if (b4 == 61) {
                    return sb.toString().getBytes("ISO8859-1");
                }
                b4 = base64DecodeChars[b4];
            } while (i < len && b4 == -1);

            if (b4 == -1) {
                break;
            }
            sb.append((char) (((b3 & 0x03) << 6) | b4));
        }
        return sb.toString().getBytes("ISO8859-1");
    }


    /**
     * 对字符串进行Base64编码
     */
    public static String encode(byte[] data) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        int len = data.length;
        int i = 0;
        int b1, b2, b3;
        while (i < len) {
            b1 = data[i++] & 0xff;
            if (i == len) {
                sb.append(base64EncodeChars[b1 >>> 2]);
                sb.append(base64EncodeChars[(b1 & 0x3) << 4]);
                sb.append("==");
                break;
            }
            b2 = data[i++] & 0xff;
            if (i == len) {
                sb.append(base64EncodeChars[b1 >>> 2]);
                sb.append(base64EncodeChars[((b1 & 0x03) << 4) | ((b2 & 0xf0) >>> 4)]);
                sb.append(base64EncodeChars[(b2 & 0x0f) << 2]);
                sb.append("=");
                break;
            }
            b3 = data[i++] & 0xff;
            sb.append(base64EncodeChars[b1 >>> 2]);
            sb.append(base64EncodeChars[((b1 & 0x03) << 4) | ((b2 & 0xf0) >>> 4)]);
            sb.append(base64EncodeChars[((b2 & 0x0f) << 2) | ((b3 & 0xc0) >>> 6)]);
            sb.append(base64EncodeChars[b3 & 0x3f]);
        }
        return sb.toString();
    }

    /**
     * 对字符串进行Base64解码
     */
    public static byte[] decode(String str) {
        try {
            return decodePrivate(str);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            logger.error(e.getMessage(), e);
        }
        return new byte[]{};
    }

}

具体场景
简易OpenAPI服务设计