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.NET Core加解密实战系列之——消息摘要与数字签名算法

 3 years ago
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目录

简介

加解密现状，编写此系列文章的背景：

  • 需要考虑系统环境兼容性问题（Linux、Windows）
  • 语言互通问题（如C#、Java等）（加解密本质上没有语言之分，所以原则上不存在互通性问题）
  • 网上资料版本不一、或不全面
  • .NET官方库密码算法提供不全面，很难针对其他语言（Java）进行适配

本系列文章主要介绍如何在 .NET Core 中使用非对称加密算法、编码算法、消息摘要算法、签名算法、对称加密算法、国密算法等一系列算法，如有错误之处，还请大家批评指正。

本系列文章旨在引导大家能快速、轻松的了解接入加解密，乃至自主组合搭配使用BouncyCastle密码术包中提供的算法。

本文中代码示例仅列举了比较常见的使用方式（BouncyCastle中提供的算法远不止这些），另外算法DSA和ECDSA我们未在项目中使用过，代码组合性非常多，因此文中部分代码仅供参考。

本系列代码项目地址： https://github.com/fuluteam/ICH.BouncyCastle.git

上一篇文章《.NET Core加解密实战系列之——RSA非对称加密算法》： https://www.cnblogs.com/fulu/p/13100471.html

功能依赖

BouncyCastle（ https://www.bouncycastle.org/csharp） 是一个开放源码的轻量级密码术包；它支持大量的密码术算法，它提供了很多 .NET Core标准库没有的算法。

支持 .NET 4，.NET Standard 1.0-2.0，WP，Silverlight，MonoAndroid，Xamarin.iOS，.NET Core

功能 依赖 Portable.BouncyCastle Portable.BouncyCastle • 1.8.5

消息摘要算法

消息摘要算法分为三类：

  • MD 2/4/5(Message Digest Algorithm 2/4/5)：消息摘要算法 MD2、MD4、MD5
  • SHA(Secure Hash Algorithm)：安全散列算法
  • MAC(Message Authentication Code)：消息认证码

MD算法

MD消息摘要算法，一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。

家族发展史

  • MD2算法：

    1989年，著名的非对称算法RSA发明人之一麻省理工学院教授罗纳德·李维斯特开发了MD2算法。这个算法首先对信息进行数据补位，使信息的字节长度是16的倍数。再以一个16位的检验和做为补充信息追加到原信息的末尾。最后根据这个新产生的信息计算出一个128位的散列值，MD2算法由此诞生。

  • MD4算法：

    1990年，罗纳德·李维斯特教授开发出较之MD2算法有着更高安全性的MD4算法。MD4算法对后续消息摘要算法起到了推动作用，许多比较有名的消息摘要算法都是在MD4算法的基础上发展而来的，如MD5、SHA-1、RIPE-MD和HAVAL算法等。

  • MD5算法：

    1991年，继MD4算法后，罗纳德·李维斯特教授开发了MD5算法，用以取代MD4算法。这套算法的程序在 RFC 1321 标准中被加以规范。MD5算法经MD2、MD3和MD4算法发展而来，算法复杂程度和安全强度大大提高，MD算法的最终结果都是产生一个128位的信息摘要。这也是MD系列算法的特点。

    1996年，该算法被证实存在弱点，可以被加以破解，对于需要高度安全性的数据，专家一般建议改用其他算法，如SHA-2。

    2004年，证实MD5算法无法防止碰撞（collision），因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。

应用场景

消息摘要算法是不可逆的，所以信息摘要场景主要被用来验证信息的完整性，防止信息被篡改，主要场景如下：

  • 验签：对要发送的数据做MD5（一般加slat）MD5值和数据一同发送，接收方接受数据做同样的MD5计算，比较MD5值是否一致
  • 密码保护：比如用户密码存储上，一般都是存储MD5值，更高一级的涉及是针对每个用户生成一个随机的slat，然后进MD5（passport + slat）计算，将这个值存储到DB中

代码实现

MD5

public static class MD5
{
    /// <summary>
    /// 哈希计算（使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    /// <param name="s"></param>
    /// <returns></returns>
    public static byte[] Compute(string s)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(s))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(s));
        }
        var digest = new MD5Digest();
        var resBuf = new byte[digest.GetDigestSize()];
        var input = Encoding.UTF8.GetBytes(s);

        digest.BlockUpdate(input, 0, input.Length);
        digest.DoFinal(resBuf, 0);

        return resBuf;
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（不使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    /// <param name="s"></param>
    /// <returns></returns>
    public static byte[] Compute2(string s)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(s))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(s));
        }

        using (var md5 = System.Security.Cryptography.MD5.Create())
        {
            return md5.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(s));
        }
    }
}

示例代码

private static void MD5Sample()
{
    var s = "hello md5";
    Console.WriteLine(s);

    var resBytes1 = MD5.Compute("hello md5");

    var resBytes2 = MD5.Compute2("hello md5");

    var a1 = BitConverter.ToString(resBytes1).Replace("-", "");
    Console.WriteLine($"通过BitConverter.ToString转换得到结果：{a1}");
    var a2 = Hex.ToHexString(resBytes1).ToUpper();
    Console.WriteLine($"通过Hex.ToHexString转换得到结果：{a2}");

    var a3 = Hex.ToHexString(resBytes2).ToUpper();

    Console.WriteLine($"不使用BouncyCastle得到结果：{a3}");

    Console.WriteLine();
}

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SHA算法

安全散列算法（英文：Secure Hash Algorithm，缩写为SHA）是一个密码散列函数家族，是FIPS所认证的安全散列算法。

SHA家族的五个算法，分别是SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384，和SHA-512，由美国国家安全局（NSA）所设计，并由美国国家标准与技术研究院（NIST）发布；是美国的政府标准。后四者有时并称为SHA-2。SHA-1在许多安全协定中广为使用，包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec，曾被视为是MD5（更早之前被广为使用的杂凑函数）的后继者。但 SHA-1的安全性如今被密码学家严重质疑；虽然至今尚未出现对SHA-2有效的攻击，它的算法跟SHA-1基本上仍然相似；因此有些人开始发展其他替代的杂凑算法。

2017年2月23日，Google公司公告宣称他们与CWI Amsterdam合作共同创建了两个有着相同的SHA-1值但内容不同的PDF文件，这代表 SHA-1算法已被正式攻破 。

应用场景

目前SHA1的应用较为广泛，主要应用于CA和数字证书中，另外在目前互联网中流行的BT软件中，也是使用SHA1来进行文件校验的。

代码实现

SHA1

public class SHA1
{
    /// <summary>
    /// 哈希计算（使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute(string s)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(s))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(s));
        }

        var digest = new Sha1Digest();
        var resBuf = new byte[digest.GetDigestSize()];
        var input = Encoding.UTF8.GetBytes(s);

        digest.BlockUpdate(input, 0, input.Length);
        digest.DoFinal(resBuf, 0);

        return resBuf;
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（不使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute2(string s)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(s))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(s));
        }

        using (var sha1 = System.Security.Cryptography.SHA1.Create())
        {
            return sha1.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(s));
        }
    }
}

SHA256

public class SHA256
{
    /// <summary>
    /// 哈希计算（使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute1(string s)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(s))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(s));
        }
        var digest = new Sha256Digest();
        var resBuf = new byte[digest.GetDigestSize()];
        var input = Encoding.UTF8.GetBytes(s);

        digest.BlockUpdate(input, 0, input.Length);
        digest.DoFinal(resBuf, 0);

        return resBuf;
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（不使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute2(string s)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(s))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(s));
        }

        using (var sha256 = System.Security.Cryptography.SHA256.Create())
        {
            return sha256.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(s));
        }
    }
}

示例代码

private static void SHA256Sample()
{
    var s = "hello sha-256";
    Console.WriteLine(s);

    Console.WriteLine($"使用BouncyCastle计算结果（转Base64字符串）：{Base64.ToBase64String(SHA256.Compute1(s))}");

    Console.WriteLine($"不使用BouncyCastle计算结果（转Base64字符串）：{Base64.ToBase64String(SHA256.Compute2(s))}");
}

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MAC算法

消息认证码算法（英文：Message Authentication Codes，缩写为MAC） 含有密钥的散列函数算法，兼容了MD和SHA算法的特性，并在此基础上加上了密钥。因此MAC算法也经常被称作HMAC算法。消息的散列值由只有通信双方知道的密钥来控制。此时Hash值称作MAC。

HMAC是密钥相关的散列运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code）的缩写，由H.Krawezyk，M.Bellare，R.Canetti于1996年提出的一种基于Hash函数和密钥进行消息认证的方法，并于1997年作为RFC2104被公布，并在IPSec和其他网络协议（如SSL）中得以广泛应用，现在已经成为事实上的Internet安全标准。它可以与任何迭代散列函数捆绑使用。

HMAC算法的典型应用

HMAC算法的一个典型应用是用在“挑战/响应”（Challenge/Response）身份认证中，认证流程如下：

(1) 先由客户端向服务器发出一个验证请求。
(2) 服务器接到此请求后生成一个随机数并通过网络传输给客户端（此为挑战）。
(3) 客户端将收到的随机数与自己的密钥进行HMAC-SHA1运算并得到一个结果作为认证证据传给服务器（此为响应）。
(4) 与此同时，服务器也使用该随机数与存储在服务器数据库中的该客户密钥进行HMAC-SHA1运算，如果服务器的运算结果与客户端传回的响应结果相同，则认为客户端是一个合法用户 。

HMAC算法的安全性

HMAC算法引入了密钥，其安全性已经不完全依赖于所使用的HASH算法，安全性主要有以下几点保证：

(1) 使用的密钥是双方事先约定的，第三方不可能知道。由上面介绍应用流程可以看出，作为非法截获信息的第三方，能够得到的信息只有作为“挑战”的随机数和作为“响应”的HMAC结果，无法根据这两个数据推算出密钥。由于不知道密钥，所以无法仿造出一致的响应。
（2）在HMAC算法的应用中，第三方不可能事先知道输出（如果知道，不用构造输入，直接将输出送给服务器即可）。
（3） HMAC算法与一般的加密重要的区别在于它具有“瞬时”性，即认证只在当时有效，而加密算法被破解后，以前的加密结果就可能被解密。

HMAC组合散列函数

与HMAC组合使用的算法有HMac-MD5、HMac-SHA1、HMac-SHA256等等：

public class Algorithms
{
    public const string HMacSHA1="HMAC-SHA1";
    public const string HMacMD5="HMAC-MD5";
    public const string HMacMD4="HMAC-MD4";
    public const string HMacMD2="HMAC-MD2";
    public const string HMacSHA224="HMAC-SHA224";
    public const string HMacSHA256="HMAC-SHA256";
    public const string HMacSHA384="HMAC-SHA384";
    public const string HMacSHA512_224 = "HMAC-SHA512/224";
    public const string HMacSHA512_256="HMAC-SHA512/256";
    public const string HMacRIPEMD128="HMAC-RIPEMD128";
    public const string HMacRIPEMD160="HMAC-RIPEMD160";
    public const string HMacTIGER="HMAC-TIGER";
    public const string HMacKECCAK224="HMAC-KECCAK224";
    public const string HMacKECCAK256="HMAC-KECCAK256";
    public const string HMacKECCAK288="HMAC-KECCAK288";
    public const string HMacKECCAK384="HMAC-KECCAK384";
    public const string HMacSHA3512="HMAC-SHA3-512";
    public const string HMacGOST3411_2012256="HMAC-GOST3411-2012-256";
    public const string HMacGOST3411_2012_512="HMAC-GOST3411-2012-512";
    
    ......
}

代码实现

public class HMAC
{
    /// <summary>
    /// 生成密钥KEY
    /// </summary>
    /// <param name="algorithm">密文算法，参考Algorithms.cs中提供的HMac algorithm</param>
    /// <returns>密钥KEY</returns>
    public static byte[] GeneratorKey(string algorithm)
    {
        var kGen = GeneratorUtilities.GetKeyGenerator(algorithm);
        return kGen.GenerateKey();
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算
    /// </summary>
    /// <param name="data">输入字符串</param>
    /// <param name="key">密钥KEY</param>
    /// <param name="algorithm">密文算法，参考Algorithms.cs中提供的HMac algorithm</param>
    /// <returns>哈希值</returns>
    public static byte[] Compute(string data, byte[] key, string algorithm)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        var keyParameter = new Org.BouncyCastle.Crypto.Parameters.KeyParameter(key);
        var input = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
        var mac = MacUtilities.GetMac(algorithm);
        mac.Init(keyParameter);
        mac.BlockUpdate(input, 0, input.Length);
        return MacUtilities.DoFinal(mac);
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算
    /// </summary>
    /// <param name="data">输入字符串</param>
    /// <param name="key">密钥KEY</param>
    /// <param name="digest"></param>
    /// <returns>哈希值</returns>
    public static byte[] Compute(string data, byte[] key, IDigest digest)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        var keyParameter = new Org.BouncyCastle.Crypto.Parameters.KeyParameter(key);
        var input = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
        IMac mac = new Org.BouncyCastle.Crypto.Macs.HMac(digest);
        mac.Init(keyParameter);
        mac.BlockUpdate(input, 0, input.Length);
        return MacUtilities.DoFinal(mac);
    }
}

HMAC-MD5

public class HMACMD5
{
    /// <summary>
    /// 生成密钥KEY
    /// </summary>
    public static byte[] GeneratorKey()
    {
        return HMAC.GeneratorKey(Algorithms.HMacMD5);
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute(string data, byte[] key)
    {
        return HMAC.Compute(data, key, Algorithms.HMacMD5);
        //or
        //return HMAC.Compute(data, key, new MD5Digest());
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（不使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute2(string data, string key)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        if (string.IsNullOrEmpty(key))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(key));
        }

        using (var hmacMd5 = new System.Security.Cryptography.HMACMD5(Encoding.UTF8.GetBytes(key)))
        {
            return hmacMd5.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(data));
        }
    }
}

HMAC-SHA1

public class HMACSHA1
{
    /// <summary>
    /// 生成密钥KEY
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static byte[] GeneratorKey()
    {
        return HMAC.GeneratorKey(Algorithms.HMacSHA1);
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute(string data, byte[] key)
    {
        return HMAC.Compute(data, key, Algorithms.HMacSHA1);
        //or
        //return HMAC.Compute(data, key, new Sha1Digest());
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（不使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute2(string data, byte[] key)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        using (var hmacSha1 = new System.Security.Cryptography.HMACSHA1(key))
        {
            return hmacSha1.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(data));
        }
    }
}

HMAC-SHA256

public class HMACSHA256
{
    /// <summary>
    /// 生成签名
    /// </summary>
    public static byte[] GeneratorKey()
    {
        return HMAC.GeneratorKey(Algorithms.HMacSHA256);
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute(string data, byte[] key)
    {

        return HMAC.Compute(data, key, Algorithms.HMacSHA256);

        //or
        //return HMAC.Compute(data, key, new Sha256Digest());
    }

    /// <summary>
    /// 哈希计算（不使用BouncyCastle）
    /// </summary>
    public static byte[] Compute2(string data, byte[] key)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        using (var hmacSha256 = new System.Security.Cryptography.HMACSHA256(key))
        {
            return hmacSha256.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(data));
        }
    }
}

示例代码

private static void HMacSha256Sample()
{
    var s = "hello hmac sha256";
    Console.WriteLine(s);
    var k = HMACSHA256.GeneratorKey();
    Console.WriteLine($"密钥（十六进制字符串）：{Hex.ToHexString(k)}");
    Console.WriteLine($"密钥（Base64字符串）：{Base64.ToBase64String(k)}");

    var b1 = HMACSHA256.Compute(s, k);
    Console.WriteLine($"使用BouncyCastle计算结果（转Base64字符串）：{Base64.ToBase64String(b1)}");
    Console.WriteLine($"使用BouncyCastle计算结果（转十六进制字符串）：{Hex.ToHexString(b1)}");

    var b2 = HMACSHA256.Compute2(s, k);

    Console.WriteLine($"不使用BouncyCastle计算结果（转Base64字符串）：{Base64.ToBase64String(b2)}");
    Console.WriteLine($"不使用BouncyCastle计算结果（转十六进制字符串）：{Hex.ToHexString(b2)}");
}

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数字签名算法

数字签名是一个带有密钥的消息摘要算法，这个密钥包括了公钥和私钥，用于验证数据完整性、认证数据来源和抗否认，遵循OSI参考模型、私钥签名和公钥验证。也是非对称加密算法和消息摘要算法的结合体

FIPS 186-4规定了三种可用于数据保护的数字签名生成和验证技术：数字签名算法（DSA），椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）和Rivest-Shamir Adelman算法（ RSA）。

Rivest-Shamir Adelman算法（ RSA）

RSA算法是1977年由罗纳德·里维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

RSA是目前计算机密码学中最经典算法，也是目前为止使用最广泛的数字签名算法，从提出到现在已近三十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。

代码实现

SHA1WithRSA

public class SHA1WithRSA
{
    /// <summary>
    /// 生成签名
    /// </summary>
    public static string GenerateSignature(string data, RSAParameters privateKey)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        using (var rsa = System.Security.Cryptography.RSA.Create())
        {
            rsa.ImportParameters(privateKey);
            return Base64.ToBase64String(rsa.SignData(Encoding.UTF8.GetBytes(data), HashAlgorithmName.SHA1, RSASignaturePadding.Pkcs1));
        }
    }

    /// <summary>
    /// 验证签名
    /// </summary>
    public static bool VerifySignature(string data, string sign, RSAParameters publicKey)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        if (string.IsNullOrEmpty(sign))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(sign));
        }

        using (var rsa = System.Security.Cryptography.RSA.Create())
        {
            rsa.ImportParameters(publicKey);
            return rsa.VerifyData(Encoding.UTF8.GetBytes(data), Base64.Decode(sign), HashAlgorithmName.SHA1, RSASignaturePadding.Pkcs1);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 生成签名
    /// </summary>
    public static string GenerateSignature(string data, AsymmetricKeyParameter privateKey)
    {
        var byteData = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
        var normalSig = SignerUtilities.GetSigner("SHA1WithRSA");
        normalSig.Init(true, privateKey);
        normalSig.BlockUpdate(byteData, 0, data.Length);
        var normalResult = normalSig.GenerateSignature();
        return Base64.ToBase64String(normalResult);
    }

    /// <summary>
    /// 验证签名
    /// </summary>
    public static bool VerifySignature(string data, string sign, AsymmetricKeyParameter publicKey)
    {
        var signBytes = Base64.Decode(sign);
        var plainBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
        var verifier = SignerUtilities.GetSigner("SHA1WithRSA");
        verifier.Init(false, publicKey);
        verifier.BlockUpdate(plainBytes, 0, plainBytes.Length);

        return verifier.VerifySignature(signBytes);
    }
}

SHA256WithRSA

public class SHA256WithRSA
{
    /// <summary>
    /// 生成签名
    /// </summary>
    public static string GenerateSignature(string data, RSAParameters privateKey)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        using (var rsa = System.Security.Cryptography.RSA.Create())
        {
            rsa.ImportParameters(privateKey);
            return Base64.ToBase64String(rsa.SignData(Encoding.UTF8.GetBytes(data), HashAlgorithmName.SHA256, RSASignaturePadding.Pkcs1));
        }
    }

    /// <summary>
    /// 验证签名
    /// </summary>
    public static bool VerifySignature(string data, string sign, RSAParameters publicKey)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        if (string.IsNullOrEmpty(sign))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(sign));
        }

        using (var rsa = System.Security.Cryptography.RSA.Create())
        {
            rsa.ImportParameters(publicKey);
            return rsa.VerifyData(Encoding.UTF8.GetBytes(data), Base64.Decode(sign), HashAlgorithmName.SHA256, RSASignaturePadding.Pkcs1);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 生成签名
    /// </summary>
    public static string GenerateSignature(string data, AsymmetricKeyParameter parameter)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        if (parameter == null)
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
        }

        var signer = SignerUtilities.GetSigner("SHA256WithRSA");
        signer.Init(true, parameter);
        var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
        signer.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
        return Base64.ToBase64String(signer.GenerateSignature());
    }

    /// <summary>
    /// 验证签名
    /// </summary>
    public static bool VerifySignature(string data, string sign, AsymmetricKeyParameter parameter)
    {
        if (string.IsNullOrEmpty(data))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(data));
        }

        if (string.IsNullOrEmpty(sign))
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(sign));
        }

        if (parameter == null)
        {
            throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
        }

        var verifier = SignerUtilities.GetSigner("SHA256WithRSA");
        verifier.Init(false, parameter);
        var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
        verifier.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
        return verifier.VerifySignature(Base64.Decode(sign));
    }
}

示例代码

private static void SHA256WithRSA_Sample()
{
    var s = "hello sha256 with rsa";
    Console.WriteLine(s);

    var keyParameter = RSAKeyGenerator.Pkcs8(2048);

    Console.WriteLine("私钥：");
    Console.WriteLine(keyParameter.PrivateKey);
    Console.WriteLine("公钥：");
    Console.WriteLine(keyParameter.PublicKey);

    Console.WriteLine();

    Console.WriteLine("使用BouncyCastle：");

    var sign1 = SHA256WithRSA.GenerateSignature(s,
         RSAUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormAsn1PrivateKey(keyParameter.PrivateKey));
    Console.WriteLine("sign1：");
    Console.WriteLine(sign1);

    var verified1 = SHA256WithRSA.VerifySignature(s, sign1,
        RSAUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormPublicKey(keyParameter.PublicKey));

    Console.WriteLine("验证结果：");
    Console.WriteLine(verified1 ? "signature verified" : "signature not verified");
    Console.WriteLine();

    Console.WriteLine("不使用BouncyCastle：");

    var sign2 = SHA256WithRSA.GenerateSignature(s,
        RSAUtilities.GetRsaParametersFormAsn1PrivateKey(keyParameter.PrivateKey));

    Console.WriteLine("sign2：");
    Console.WriteLine(sign2);

    var verified2 = SHA256WithRSA.VerifySignature(s, sign1,
        RSAUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormPublicKey(keyParameter.PublicKey));

    Console.WriteLine("验证结果：");

    Console.WriteLine(verified2 ? "signature verified" : "signature not verified");
    Console.WriteLine();
}

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数字签名算法（DSA）

Digital Signature Algorithm (DSA)是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。DSA是基于整数有限域离散对数难题的，其安全性与RSA相比差不多。

DSA（用于数字签名算法）的签名生成速度很快，验证速度很慢，加密时更慢，但解密时速度很快

目前，最好使用RSA 2048位密钥（也可以用4096位的RSA密钥），商业RSA证书比DSA证书被更广泛地部署。

OpenSSH 7.0及以上版本默认禁用了ssh-dss(DSA)公钥算法。官方没有给出具体的解释，但其中可能有OpenSSH，DSA密钥位数生成的原因，同时生成签名时随机性差，可能会泄漏私钥，且以现在机算机的算力，DSA 1024-bit已经实际上可破解，建议不使用。

一般来说，还是推荐大家使用RSA算法。

代码实现

SHA1/DSA

/// <summary>
/// 生成签名
/// </summary>
public static string GenerateSignature(string data, AsymmetricKeyParameter privateKey)
{
    var byteData = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    var normalSig = SignerUtilities.GetSigner("SHA1/DSA");
    normalSig.Init(true, privateKey);
    normalSig.BlockUpdate(byteData, 0, data.Length);
    var normalResult = normalSig.GenerateSignature();
    return Base64.ToBase64String(normalResult);
}

/// <summary>
/// 签名验证
/// </summary>
public static bool VerifySignature(string data, string sign, AsymmetricKeyParameter publicKey)
{
    var signBytes = Base64.Decode(sign);
    var plainBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    var verifier = SignerUtilities.GetSigner("SHA1/DSA");
    verifier.Init(false, publicKey);
    verifier.BlockUpdate(plainBytes, 0, plainBytes.Length);

    return verifier.VerifySignature(signBytes);
}

SHA256/DSA

/// <summary>
/// 生成签名
/// </summary>
public static string GenerateSignature(string data, AsymmetricKeyParameter parameter)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(data))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(data));
    }

    if (parameter == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
    }

    var signer = SignerUtilities.GetSigner("SHA256/DSA");
    signer.Init(true, parameter);
    var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    signer.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
    return Base64.ToBase64String(signer.GenerateSignature());
}

/// <summary>
/// 验证签名
/// </summary>
public static bool VerifySignature(string data, string sign, AsymmetricKeyParameter parameter)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(data))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(data));
    }

    if (string.IsNullOrEmpty(sign))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(sign));
    }

    if (parameter == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
    }

    var verifier = SignerUtilities.GetSigner("SHA256/DSA");
    verifier.Init(false, parameter);
    var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    verifier.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
    return verifier.VerifySignature(Base64.Decode(sign));
}

示例代码

private static void SHA256WithDSA_Sample()
{
    var s = "hello dsa";
    Console.WriteLine(s);
    var keyParameter = DSAKeyGenerator.Generator();

    Console.WriteLine("私钥：");
    Console.WriteLine(keyParameter.PrivateKey);
    Console.WriteLine("公钥：");
    Console.WriteLine(keyParameter.PublicKey);

    Console.WriteLine();

    var sign = SHA256WithDSA.GenerateSignature(s,
        RSAUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormAsn1PrivateKey(keyParameter.PrivateKey));

    Console.WriteLine($"sign:{sign}");

    var verified = SHA256WithDSA.VerifySignature(s, sign,
        RSAUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormPublicKey(keyParameter.PublicKey));

    Console.WriteLine("验证结果：");
    Console.WriteLine(verified ? "signature verified" : "signature not verified");
}

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椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）

椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）是使用椭圆曲线密码（ECC）对数字签名算法（DSA）的模拟。ECDSA于1999年成为ANSI标准，并于2000年成为IEEE和NIST标准。它在1998年既已为ISO所接受，并且包含它的其他一些标准亦在ISO的考虑之中。与普通的离散对数问题（discrete logarithm problem DLP）和大数分解问题（integer factorization problem IFP）不同，椭圆曲线离散对数问题（elliptic curve discrete logarithm problem ECDLP）没有亚指数时间的解决方法。因此椭圆曲线密码的单位比特强度要高于其他公钥体制。

ECDSA是ECC与DSA的结合，整个签名过程与DSA类似，所不一样的是签名中采取的算法为ECC

ECC与RSA 相比，有以下的优点：

  • 相同密钥长度下，安全性能更高，如160位ECC已经与1024位RSA、DSA有相同的安全强度。
  • 计算量小，处理速度快，在私钥的处理速度上（解密和签名），ECC远 比RSA、DSA快得多。
  • 存储空间占用小 ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA、DSA相比要小得多， 所以占用的存储空间小得多。
  • 带宽要求低使得ECC具有广泛得应用前景。

代码实现

SHA1/ECDSA

/// <summary>
/// 生成签名
/// </summary>
public static string GenerateSignature(string data, AsymmetricKeyParameter parameter)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(data))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(data));
    }

    if (parameter == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
    }

    var signer = SignerUtilities.GetSigner("SHA1/ECDSA");
    signer.Init(true, parameter);
    var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    signer.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
    return Base64.ToBase64String(signer.GenerateSignature());
}

/// <summary>
/// 验证签名
/// </summary>
public static bool VerifySignature(string data, string sign, AsymmetricKeyParameter parameter)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(data))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(data));
    }

    if (string.IsNullOrEmpty(sign))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(sign));
    }

    if (parameter == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
    }

    var verifier = SignerUtilities.GetSigner("SHA1/ECDSA");
    verifier.Init(false, parameter);
    var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    verifier.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
    return verifier.VerifySignature(Base64.Decode(sign));
}

SHA256/ECDSA

/// <summary>
/// 生成签名
/// </summary>
public static string GenerateSignature(string data, AsymmetricKeyParameter parameter)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(data))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(data));
    }

    if (parameter == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
    }

    var signer = SignerUtilities.GetSigner("SHA256/ECDSA");
    signer.Init(true, parameter);
    var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    signer.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
    return Base64.ToBase64String(signer.GenerateSignature());
}

/// <summary>
/// 验证签名
/// </summary>
public static bool VerifySignature(string data, string sign, AsymmetricKeyParameter parameter)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(data))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(data));
    }

    if (string.IsNullOrEmpty(sign))
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(sign));
    }

    if (parameter == null)
    {
        throw new ArgumentNullException(nameof(parameter));
    }

    var verifier = SignerUtilities.GetSigner("SHA256/ECDSA");
    verifier.Init(false, parameter);
    var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(data);
    verifier.BlockUpdate(bytes, 0, bytes.Length);
    return verifier.VerifySignature(Base64.Decode(sign));
}

示例代码

private static void SHA256WithECDSA_Sample()
{
    var s = "hello ec dsa";
    Console.WriteLine(s);
    var keyParameter = ECDSAKeyGenerator.Generator();

    Console.WriteLine("私钥：");
    Console.WriteLine(keyParameter.PrivateKey);
    Console.WriteLine("公钥：");
    Console.WriteLine(keyParameter.PublicKey);

    var sign = SHA256WithECDSA.GenerateSignature(s,
        RSAUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormAsn1PrivateKey(keyParameter.PrivateKey));

    Console.WriteLine($"sign:{sign}");

    var verified = SHA256WithECDSA.VerifySignature(s, sign,
        RSAUtilities.GetAsymmetricKeyParameterFormPublicKey(keyParameter.PublicKey));

    Console.WriteLine("验证结果：");
    Console.WriteLine(verified ? "signature verified" : "signature not verified");
}

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下期预告

下一篇将介绍对称加密算法，敬请期待。。。

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