Java 中的数字签名机制详解

最后修改:2024年6月12日

by baeldung

1. 概述

本文将深入讲解 数字签名（Digital Signature）的原理与实现，重点基于 Java Cryptography Architecture (JCA) 提供的核心 API 进行实战编码。你会接触到如下关键组件：

  • KeyPair：密钥对生成
  • MessageDigest：消息摘要计算
  • Cipher：加解密操作
  • KeyStore：密钥存储管理
  • Certificate：证书处理
  • Signature：签名与验证专用类

我们将从零开始理解数字签名的本质，生成密钥对，使用 CA 证书认证公钥身份，并分别通过 低层 API 手动实现 和 高层 Signature 类简化实现 两种方式完成签名流程。

如果你在做接口安全、API 鉴权或文档防篡改系统，这篇内容值得集合，避免踩坑 ❗

2. 什么是数字签名？

数字签名不是加密，而是一种用于保障数据完整性和身份可信的技术手段。

2.1 数字签名的作用

✅ 完整性（Integrity）：确保消息在传输过程中未被篡改
✅ 真实性（Authenticity）：确认消息确实来自声称的发送方
✅ 不可否认性（Non-repudiation）：发送方无法事后抵赖其行为

这三点是构建可信通信的基础。

2.2 带数字签名的消息发送流程

技术上讲，数字签名 = 使用私钥加密的消息摘要（hash）。

具体步骤如下：

  1. 对原始消息计算摘要（如 SHA-256）
  2. 使用发送方的 私钥 加密该摘要 → 得到“数字签名”
  3. 将原始消息 + 数字签名 + 公钥（或证书）一并发送

⚠️ 注意：我们只加密了摘要，而不是整个消息本身。因此数字签名 不提供机密性，它只用来验证“谁发的”和“有没有改”。

2.3 接收方如何验证签名

接收方收到消息后执行以下操作：

  1. 用相同算法重新计算消息摘要
  2. 使用发送方的 公钥 解密数字签名，得到原始摘要
  3. 比较两个摘要是否一致

✅ 若一致 → 签名有效，说明：

  • 消息未被篡改
  • 发送者持有对应的私钥（身份可信）

3. 数字证书与公钥身份认证

核心问题：你怎么知道这个公钥真的是对方的？

设想一下，攻击者可以伪造一个公钥冒充你的好友。这时候即使签名能验，也是验了一个假身份。

解决方案就是：数字证书（Digital Certificate）

什么是数字证书？

📌 数字证书是一个由 可信第三方（CA）签发的电子文件，它的作用是将某个身份（比如域名、组织名）与一个公钥绑定在一起。

证书本身也包含签名：

  • 证书内容（含公钥、有效期、主体信息等）被 CA 用自己的私钥签名
  • 接收方可用 CA 的公钥验证该签名，从而信任证书中的公钥属于指定主体

这就形成了所谓的 证书链（Certificate Chain）：

Root CA → Intermediate CA → Your Certificate

顶级 CA 是自签名的（self-signed），即用自己的私钥签自己的公钥，这是信任锚点。

常见格式

  • X.509：最主流的证书标准
  • 存储格式：
    • .der：二进制 DER 编码
    • .pem：Base64 文本格式（常以 -----BEGIN CERTIFICATE----- 开头）

Java 提供了 X509Certificate 类来解析和操作 X.509 证书，开箱即用 ✅

4. 密钥对管理

数字签名依赖非对称加密，所以需要一对密钥：私钥（签名用）、公钥（验证用）。

Java 中对应类型为 PrivateKey 和 PublicKey。

4.1 生成密钥对

我们使用 JDK 自带的 keytool 工具生成 RSA 密钥对：

keytool -genkeypair -alias senderKeyPair -keyalg RSA -keysize 2048 \
  -dname "CN=Baeldung" -validity 365 -storetype JKS \
  -keystore sender_keystore.jks -storepass changeit

📌 解释参数：

  • -alias：密钥别名
  • -keyalg RSA -keysize 2048：使用 RSA 算法，2048 位强度
  • -dname "CN=Baeldung"：主体名称（Common Name）
  • -keystore：输出到 JKS 格式的 KeyStore 文件
  • -storepass：KeyStore 的访问密码

执行后会生成 sender_keystore.jks，其中包含：

  • 私钥
  • 对应的公钥
  • 一个自签名的 X.509 证书（用于测试）

⚠️ 生产环境建议使用更安全的 PKCS12 格式（-storetype PKCS12），JKS 已逐步淘汰。

4.2 加载私钥用于签名

签名时需要获取 PrivateKey 实例：

KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("JKS");
keyStore.load(new FileInputStream("sender_keystore.jks"), "changeit".toCharArray());
PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyStore.getKey("senderKeyPair", "changeit".toCharArray());

📌 注意：

  • getKey() 第二个参数是密钥的密码（可能不同于 keystore 密码）
  • Java 9+ 推荐使用 char[] 而非 String 存储密码，防止内存泄露

4.3 发布公钥（自签 vs CA 签）

✅ 方式一：自签名证书（适用于测试）

直接导出证书即可：

keytool -exportcert -alias senderKeyPair -storetype JKS \
  -keystore sender_keystore.jks -file sender_certificate.cer \
  -rfc -storepass changeit

-rfc 表示输出为 PEM 文本格式（Base64），便于查看和传输。

✅ 方式二：CA 签发证书（生产推荐）

需先生成 CSR（Certificate Signing Request）：

keytool -certreq -alias senderKeyPair -storetype JKS \
  -keystore sender_keystore.jks -file sender_certificate.csr \
  -rfc -storepass changeit

然后将 sender_certificate.csr 提交给 CA（如 Let's Encrypt、DigiCert 等），CA 审核通过后返回签名后的证书（.cer 或 .crt 文件）。

这样你的公钥就有了第三方背书，客户端更容易信任。

4.4 加载公钥用于验证

接收方需要将对方的公钥导入自己的 KeyStore。

先创建一个空的 KeyStore（可用任意密钥对生成后删除）：

keytool -genkeypair -alias receiverKeyPair -keyalg RSA -keysize 2048 \
  -dname "CN=Receiver" -validity 365 -storetype JKS \
  -keystore receiver_keystore.jks -storepass changeit 

keytool -delete -alias receiverKeyPair -storepass changeit -keystore receiver_keystore.jks

再导入对方的证书：

keytool -importcert -alias senderCert -storetype JKS \
  -keystore receiver_keystore.jks -file sender_certificate.cer \
  -storepass changeit

Java 代码加载公钥：

KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("JKS");
keyStore.load(new FileInputStream("receiver_keystore.jks"), "changeit".toCharArray());
Certificate certificate = keyStore.getCertificate("senderCert");
PublicKey publicKey = certificate.getPublicKey();

现在我们已有：

  • 发送方：PrivateKey
  • 接收方：PublicKey

可以开始签名和验证了 ✅

5. 使用 MessageDigest 和 Cipher 实现数字签名（底层实现）

这种方式虽然繁琐，但有助于理解底层原理，适合定制化场景。

5.1 生成消息摘要

假设我们要签名的是一段文件内容：

byte[] messageBytes = Files.readAllBytes(Paths.get("message.txt"));

使用 MessageDigest 计算 SHA-256 摘要：

MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
byte[] messageHash = md.digest(messageBytes);

常见算法选择：

  • SHA-256：推荐，安全性高
  • SHA-384 / SHA-512：更长摘要，性能略低
  • ❌ MD5 / SHA-1：已被破解，禁止用于安全场景

接下来需要封装摘要信息，使用 Bouncy Castle 的 DigestInfo（需引入依赖）：

DigestAlgorithmIdentifierFinder hashAlgorithmFinder = new DefaultDigestAlgorithmIdentifierFinder();
AlgorithmIdentifier hashingAlgorithmIdentifier = hashAlgorithmFinder.find("SHA-256");
DigestInfo digestInfo = new DigestInfo(hashingAlgorithmIdentifier, messageHash);
byte[] hashToEncrypt = digestInfo.getEncoded();

💡 DigestInfo 包含算法标识符和实际哈希值，符合 ASN.1 编码规范，是标准做法。

5.2 使用私钥加密摘要（即“签名”）

使用 Cipher 类进行 RSA 加密：

Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
byte[] encryptedMessageHash = cipher.doFinal(hashToEncrypt);

此时 encryptedMessageHash 就是数字签名，应随消息一同发送。

5.3 验证签名（解密并比对）

接收方收到消息和签名后：

  1. 用公钥解密签名：
Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
byte[] decryptedMessageHash = cipher.doFinal(encryptedMessageHash);
  1. 重新计算消息摘要：
byte[] messageBytes = Files.readAllBytes(Paths.get("message.txt"));
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
byte[] newMessageHash = md.digest(messageBytes);
  1. 封装新的 DigestInfo：
DigestAlgorithmIdentifierFinder hashAlgorithmFinder = new DefaultDigestAlgorithmIdentifierFinder();
AlgorithmIdentifier hashingAlgorithmIdentifier = hashAlgorithmFinder.find("SHA-256");
DigestInfo digestInfo = new DigestInfo(hashingAlgorithmIdentifier, newMessageHash);
byte[] expectedHash = digestInfo.getEncoded();
  1. 比较解密结果与本地计算结果：
boolean isCorrect = Arrays.equals(decryptedMessageHash, expectedHash);

✅ 相等 → 签名有效
❌ 不等 → 数据被篡改或签名非法

⚠️ 踩坑提示：很多人忘了 DigestInfo 封装，直接比较原始哈希，会导致验证失败！因为加密的是带算法头的结构化数据。

6. 使用 Signature 类实现数字签名（高层封装）

JCA 提供了更简洁的 Signature 类，推荐日常开发使用。

6.1 签名消息（简单粗暴三步走）

Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
signature.initSign(privateKey);

byte[] messageBytes = Files.readAllBytes(Paths.get("message.txt"));
signature.update(messageBytes);

byte[] digitalSignature = signature.sign();

📌 关键点：

  • "SHA256withRSA" 是标准算法名，表示先 SHA-256 再 RSA 加密
  • update() 可多次调用，适合流式处理大文件
  • sign() 返回签名字节数组，可 Base64 编码后传输

其他常用算法：

  • SHA1withRSA
  • SHA256withDSA
  • MD5withRSA（不推荐）

6.2 验证签名（同样简洁）

Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
signature.initVerify(publicKey);

byte[] messageBytes = Files.readAllBytes(Paths.get("message.txt"));
signature.update(messageBytes);

boolean isCorrect = signature.verify(digitalSignature);

✅ verify() 返回 true → 签名合法
❌ false → 验证失败

整个过程无需手动处理摘要封装、加解密细节，JCA 内部自动完成，省心又安全 ✅

7. 总结

本文带你从零构建了一套完整的数字签名机制：

  • 理解了数字签名的三大作用：完整性、真实性、不可否认性
  • 掌握了通过 keytool 管理密钥对和证书
  • 实践了两种实现方式：
    • ✅ 底层实现：使用 MessageDigest + Cipher，灵活但易出错
    • ✅ 高层实现：使用 Signature 类，简洁高效，推荐生产使用
  • 强调了 DigestInfo 封装的重要性，避免常见验证失败坑点

🔗 示例代码已上传至 GitHub：https://github.com/yourname/java-digital-signature-demo

如果你正在做 API 签名、JWT 安全、电子合同等场景，这套机制就是底层基石。建议动手跑一遍，印象更深 💪

原始标题:Digital Signatures in Java | Baeldung

« 上一篇： 枚举类型校验的三种实用方案
» 下一篇： Java 中的广度优先搜索算法