HarmonyOS Next签名验签算法实战指南

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SameX
     上海
    阅读 11 分钟
    本文旨在深入探讨华为鸿蒙HarmonyOS Next系统（截止目前API12）中签名验签算法的技术细节，基于实际开发实践进行总结。主要作为技术分享与交流载体，难免错漏，欢迎各位同仁提出宝贵意见和问题，以便共同进步。本文为原创内容，任何形式的转载必须注明出处及原作者。
    在数字世界中，数据的真实性、完整性和不可抵赖性至关重要。签名验签算法就像是数据的“守护者”，在HarmonyOS Next系统中发挥着不可或缺的作用。

    一、签名验签算法概述

    签名验签在数据安全中扮演着“数据保镖”的关键角色。想象一下，你收到一份重要文件，你怎么知道这份文件没有被篡改，并且确实是来自声称的发送者呢？这就需要签名验签算法来帮忙了。
    在HarmonyOS Next系统中，签名验签算法的整体架构围绕着公钥和私钥展开。发送方使用自己的私钥对数据进行签名，就像是给数据加上了一个独一无二的“电子指纹”。这个签名包含了数据的特征信息以及发送方的身份标识（通过私钥体现）。接收方则使用发送方的公钥来验证这个签名。如果签名验证成功，就意味着数据在传输过程中没有被篡改，并且确实是由持有对应私钥的发送方发送的。这就确保了数据的真实性和完整性，同时发送方也无法抵赖发送过该数据，因为只有其私钥才能生成有效的签名。
    不同的签名验签算法在实现细节上有所不同，但都遵循这个基本的架构和原理，为数据安全提供了坚实的保障。

    二、RSA签名验签实战

    （一）PKCS1填充模式下的操作流程

    1. 签名过程
         - 首先，我们需要生成RSA密钥对。假设我们要生成一个1024位的RSA密钥对，可以使用以下代码：

      import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
async function generateRSAKeyPair() {
    let keyGenAlg = "RSA1024";
    let generator = cryptoFramework.createAsyKeyGenerator(keyGenAlg);
    return await generator.generateKeyPair();
}

         - 然后，获取私钥并使用PKCS1填充模式和指定的摘要算法（如SHA256）创建Sign实例，对数据进行签名。例如：

      async function signMessagePKCS1(priKey, plainText) {
    let signAlg = "RSA1024|PKCS1|SHA256";
    let signer = cryptoFramework.createSign(signAlg);
    await signer.init(priKey);
    await signer.update(plainText);
    return await signer.sign(null);
}

         - 这里，update方法用于传入要签名的数据，sign方法用于生成最终的签名。在PKCS1填充模式下，输入的数据长度需要满足一定要求，即小于RSA钥模 - 11。如果数据长度不符合要求，签名操作将失败。

    2. 验签过程
         - 同样先获取公钥，然后使用相同的PKCS1填充模式和摘要算法创建Verify实例，传入数据和签名进行验签。代码如下：

      async function verifyMessagePKCS1(pubKey, cipherText, signData) {
    let verifyAlg = "RSA1024|PKCS1|SHA256";
    let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
    await verifier.init(pubKey);
    await verifier.update(cipherText);
    return await verifier.verify(signData);
}

         - 如果验签成功，说明数据没有被篡改且来源可靠；如果验签失败，则可能表示数据在传输过程中被修改或者签名无效。

      （二）PSS填充模式下的操作流程

    3. 签名过程
         - 生成RSA密钥对的方式与前面类似。然后，创建Sign实例时指定PSS填充模式、摘要算法（如SHA256）和掩码摘要（如MGF1_SHA256），并设置盐长度（例如32字节）。示例代码如下：

      async function signMessagePSS(priKey, plainText) {
    let signAlg = "RSA|PSS|SHA256|MGF1_SHA256";
    let signer = cryptoFramework.createSign(signAlg);
    await signer.init(priKey);
    signer.setSignSpec(cryptoFramework.SignSpecItem.PSS_SALT_LEN_NUM, 32);
    await signer.update(plainText);
    return await signer.sign(null);
}

         - 在PSS填充模式下，对输入数据的长度要求更为严格，需要小于RSA钥模 - md摘要长度 - mgf1_md摘要长度 - 2。

    4. 验签过程
         - 创建Verify实例时，也需要使用与签名时相同的参数，包括填充模式、摘要算法、掩码摘要和盐长度。代码如下：

      async function verifyMessagePSS(pubKey, cipherText, signData) {
    let verifyAlg = "RSA2048|PSS|SHA256|MGF1_SHA256";
    let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
    verifier.setVerifySpec(cryptoFramework.SignSpecItem.PSS_SALT_LEN_NUM, 32);
    await verifier.init(pubKey);
    await verifier.update(cipherText);
    return await verifier.verify(signData);
}

         - 注意，这里的盐长度等参数必须与签名时设置的一致，否则验签将失败。

      （三）代码整合与示例

      以下是一个完整的RSA签名验签示例，包括生成密钥对、签名和验签的全过程：

      import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
import { buffer } from '@kit.ArkTS';
// 生成RSA密钥对
async function generateRSAKeyPair() {
    let keyGenAlg = "RSA1024";
    let generator = cryptoFramework.createAsyKeyGenerator(keyGenAlg);
    return await generator.generateKeyPair();
}
// 使用PKCS1填充模式进行签名
async function signMessagePKCS1(priKey, plainText) {
    let signAlg = "RSA1024|PKCS1|SHA256";
    let signer = cryptoFramework.createSign(signAlg);
    await signer.init(priKey);
    await signer.update(plainText);
    return await signer.sign(null);
}
// 使用PKCS1填充模式进行验签
async function verifyMessagePKCS1(pubKey, cipherText, signData) {
    let verifyAlg = "RSA1024|PKCS1|SHA256";
    let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
    await verifier.init(pubKey);
    await verifier.update(cipherText);
    return await verifier.verify(signData);
}
// 使用PSS填充模式进行签名
async function signMessagePSS(priKey, plainText) {
    let signAlg = "RSA|PSS|SHA256|MGF1_SHA256";
    let signer = cryptoFramework.createSign(signAlg);
    await signer.init(priKey);
    signer.setSignSpec(cryptoFramework.SignSpecItem.PSS_SALT_LEN_NUM, 32);
    await signer.update(plainText);
    return await signer.sign(null);
}
// 使用PSS填充模式进行验签
async function verifyMessagePSS(pubKey, cipherText, signData) {
    let verifyAlg = "RSA2048|PSS|SHA256|MGF1_SHA256";
    let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
    verifier.setVerifySpec(cryptoFramework.SignSpecItem.PSS_SALT_LEN_NUM, 32);
    await verifier.init(pubKey);
    await verifier.update(cipherText);
    return await verifier.verify(signData);
}
async function main() {
    try {
        // 生成密钥对
        let keyPair = await generateRSAKeyPair();
        // 要签名的消息
        let message = "This is a test";
        let plainText: cryptoFramework.DataBlob = { data: new Uint8Array(buffer.from(message, 'utf-8').buffer) };
        // 使用PKCS1填充模式签名
        let signDataPKCS1 = await signMessagePKCS1(keyPair.priKey, plainText);
        // 使用PKCS1填充模式验签
        let resultPKCS1 = await verifyMessagePKCS1(keyPair.pubKey, plainText, signDataPKCS1);
        if (resultPKCS1) {
            console.info('PKCS1 verify success');
        } else {
            console.error('PKCS1 verify failed');
        }
        // 使用PSS填充模式签名
        let signDataPSS = await signMessagePSS(keyPair.priKey, plainText);
        // 使用PSS填充模式验签
        let resultPSS = await verifyMessagePSS(keyPair.pubKey, plainText, signDataPSS);
        if (resultPSS) {
            console.info('PSS verify success');
        } else {
            console.error('PSS verify failed');
        }
    } catch (error) {
        console.error(`RSA signature verification “${error}“, error code: ${error.code}`);
    }
}
main();

      在这个示例中，我们首先生成了一个1024位的RSA密钥对。然后，分别使用PKCS1和PSS填充模式对消息进行签名，并使用相应的公钥进行验签。通过这个示例，我们可以清楚地看到RSA算法在不同填充模式下的签名验签操作流程，以及如何正确设置相关参数。

      三、其他算法签名验签

      （一）ECDSA算法

    5. 基本原理与特点
         - ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）算法基于椭圆曲线密码学。它利用椭圆曲线上的点运算来生成签名和验证签名。与RSA算法相比，ECDSA算法在相同安全强度下所需的密钥长度更短，计算效率更高，尤其适用于资源受限的环境，如移动设备和物联网设备。

    6. 示例代码展示

      import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
import { buffer } from '@kit.ArkTS';
// 生成ECDSA密钥对（以ECC256为例）
async function generateECDSAKeyPair() {
    let keyGenAlg = "ECC256";
    let generator = cryptoFramework.createAsyKeyGenerator(keyGenAlg);
    return await generator.generateKeyPair();
}
// 使用ECDSA算法进行签名
async function signMessageECDSA(priKey, plainText) {
    let signAlg = "ECC256|SHA256";
    let signer = cryptoFramework.createSign(signAlg);
    await signer.init(priKey);
    await signer.update(plainText);
    return await signer.sign(null);
}
// 使用ECDSA算法进行验签
async function verifyMessageECDSA(pubKey, cipherText, signData) {
    let verifyAlg = "ECC256|SHA256";
    let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
    await verifier.init(pubKey);
    await verifier.update(cipherText);
    return await verifier.verify(signData);
}
async function main() {
    try {
        // 生成密钥对
        let keyPair = await generateECDSAKeyPair();
        // 要签名的消息
        let message = "This is a test";
        let plainText: cryptoFramework.DataBlob = { data: new Uint8Array(buffer.from(message, 'utf-8').buffer) };
        // 签名
        let signData = await signMessageECDSA(keyPair.priKey, plainText);
        // 验签
        let result = await verifyMessageECDSA(keyPair.pubKey, plainText, signData);
        if (result) {
            console.info('ECDSA verify success');
        } else {
            console.error('ECDSA verify failed');
        }
    } catch (error) {
        console.error(`ECDSA signature verification “${error}“, error code: ${error.code}`);
    }
}
main();

      在这个示例中，我们生成了ECC256的ECDSA密钥对，然后对消息进行签名和验签。可以看到，ECDSA算法的签名验签过程与RSA算法有相似之处，但在参数设置和计算方式上有所不同。

      （二）DSA算法

    7. 基本原理与特点
         - DSA（Digital Signature Algorithm）算法的安全性基于整数有限域离散对数问题的困难性。它在数字签名方面具有一定的应用，但相比其他算法，其计算效率较低，密钥长度较长。然而，在一些特定的安全标准和协议中，DSA算法因其历史原因和兼容性需求而被采用。

    8. 示例代码展示（假设支持DSA算法）

      import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
      import { buffer } from '@kit.ArkTS';
      // 生成DSA密钥对（以DSA1024为例）
      async function generateDSAKeyPair() {
          let keyGenAlg = "DSA1024";
          let generator = cryptoFramework.createAsyKeyGenerator(keyGenAlg);
          return await generator.generateKeyPair();
      }
      // 使用DSA算法进行签名
      async function signMessageDSA(priKey, plainText) {
          let signAlg = "DSA1024|SHA256";
          let signer = cryptoFramework.createSign(signAlg);
          await signer.init(priKey);
          await signer.update(plainText);
          return await signer.sign(null);
      }
      // 使用DSA算法进行验签
      async function verifyMessageDSA(pubKey, cipherText, signData) {
          let verifyAlg = "DSA1024|SHA256";
          let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
          await verifier.init(pubKey);
          await verifier.update(cipherText);
          return await verifier.verify(signData);
      }
      async function main() {
          try {
              // 生成密钥对
              let keyPair = await generateDSAKeyPair();
              // 要签名的消息
              let message = "This is a test";
              let plainText: cryptoFramework.DataBlob = { data: new Uint8Array(buffer.from(message, 'utf-8').buffer) };
              // 签名
              let signData = await signMessageDSA(keyPair.priKey, plainText);
              // 验签
              let result = await verifyMessageDSA(keyPair.pubKey, plainText, signData);
              if (result) {
                  console.info('DSA verify success');
              } else {
                  console.error('DSA verify failed');
              }
          } catch (error) {
              console.error(DSA signature verification “${error}“, error code: ${error.code});
          }
      }
      main();

      在这个示例中，我们展示了DSA算法在HarmonyOS Next中的签名验签操作。需要注意的是，DSA算法在实际应用中可能会受到性能和密钥长度的限制，但在某些特定场景下仍有其价值。
    9. 基本原理与特点
         - SM2算法是我国自主设计的基于椭圆曲线的签名验签算法。它具有自主可控的优势，在国内的政务、金融等对安全性要求较高的领域得到广泛应用。SM2算法支持多种功能，如加密、签名、密钥交换等，并且在性能和安全性方面表现出色。

    10. 示例代码展示（假设当前环境支持SM2算法相关操作）

      import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
import { buffer } from '@kit.ArkTS';
// 生成SM2密钥对
async function generateSM2KeyPair() {
    let keyGenAlg = "SM2_256";
    let generator = cryptoFramework.createAsyKeyGenerator(keyGenAlg);
    return await generator.generateKeyPair();
}
// 使用SM2算法进行签名（当前仅支持SM3摘要）
async function signMessageSM2(priKey, plainText) {
    let signAlg = "SM2_256|SM3";
    let signer = cryptoFramework.createSign(signAlg);
    await signer.init(priKey);
    await signer.update(plainText);
    return await signer.sign(null);
}
// 使用SM2算法进行验签
async function verifyMessageSM2(pubKey, cipherText, signData) {
    let verifyAlg = "SM2_256|SM3";
    let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
    await verifier.init(pubKey);
    await verifier.update(cipherText);
    return await verifier.verify(signData);
}
async function main() {
    try {
        // 生成密钥对
        let keyPair = await generateSM2KeyPair();
        // 要签名的消息
        let message = "This is a test";
        let plainText: cryptoFramework.DataBlob = { data: new Uint8Array(buffer.from(message, 'utf-8').buffer) };
        // 签名
        let signData = await signMessageSM2(keyPair.priKey, plainText);
        // 验签
        let result = await verifyMessageSM2(keyPair.pubKey, plainText, signData);
        if (result) {
            console.info('SM2 verify success');
        } else {
            console.error('SM2 verify failed');
        }
    } catch (error) {
        console.error(`SM2 signature verification “${error}“, error code: ${error.code}`);
    }
}
    在这个示例中，我们生成了SM2_256的密钥对，并使用SM3摘要进行签名验签操作。由于SM2算法的特殊性，目前仅支持SM3摘要，这在一定程度上限制了其与其他算法的通用性，但在国内特定领域中，它能提供强大的安全保障。
### （四）算法对比与优势场景分析
1. **与RSA算法的对比**
   - **密钥长度**：ECDSA和SM2算法在相同安全强度下，所需的密钥长度比RSA算法短。例如，256位的ECDSA或SM2密钥可以提供与3072位RSA密钥相当的安全级别。这使得它们在资源受限的设备上更具优势，因为较短的密钥长度意味着更少的计算资源消耗和存储需求。
   - **计算效率**：ECDSA和SM2算法的计算效率通常比RSA算法高，尤其是在椭圆曲线密码运算优化较好的情况下。它们在签名和验签操作上的速度更快，能够提高系统的整体性能。DSA算法的计算效率相对较低，在处理大量数据或高频率签名验签操作时可能会出现性能瓶颈。
   - **安全性**：RSA算法的安全性基于大整数分解问题的困难性，而ECDSA、DSA和SM2算法分别基于椭圆曲线密码学和整数有限域离散对数问题。这些算法在设计上都具有较高的安全性，但随着计算能力的提升，RSA算法的密钥长度可能需要不断增加以保持相同的安全强度，而椭圆曲线算法在这方面相对更具优势。
   - **应用场景**：RSA算法在一些传统的企业级应用和互联网场景中应用广泛，尤其是在与现有系统的兼容性方面表现较好。ECDSA算法适用于资源受限的环境，如移动支付、物联网设备之间的安全通信等场景。DSA算法在一些特定的安全标准和协议中仍有应用，但在现代应用中逐渐被其他更高效的算法替代。SM2算法由于其自主可控的特性，在国内的政务、金融等关键领域得到广泛应用。
2. **优势场景总结**
   - **ECDSA算法**：在移动设备和物联网设备中，由于其高效性和安全性，可用于保障设备之间的安全通信、身份认证和数据完整性验证。例如，在智能家居系统中，智能设备之间可以使用ECDSA算法进行签名验签，确保控制指令的真实性和完整性。
   - **DSA算法**：虽然计算效率相对较低，但在一些遵循特定安全标准和协议的传统系统中仍有其用武之地，如某些早期建立的企业内部安全架构。
   - **SM2算法**：在国内政务领域，用于电子公文的签名验签，确保公文的真实性、完整性和不可抵赖性；在金融领域，保障网上银行交易、电子合同签署等业务的安全。例如，银行的网上银行系统可以使用SM2算法对用户的交易指令进行签名验签，防止交易被篡改和伪造。
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