java.security.Providerを使った署名と検証

java.security.Providerの使い方メモ

java.securityにはProviderという仕組みがあって暗号化や署名の実装を追加できるのですが、たぶんごく一部の人達しか使わないので、説明しているサイトもあまりありません。

まずは普通にJavaで署名して検証してみる

Sample.java

package io.github.tshibata.sample;

import java.security.*;

public class Sample {
    static void test(byte[] data, KeyPair pair) throws Exception {
        Signature sig = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
        // 署名するよ
        sig.initSign(pair.getPrivate());
        sig.update(data);
        byte[] s = sig.sign();
        // Base64で出力してみるよ
        System.out.println(java.util.Base64.getEncoder().encodeToString​(s));
        // 検証するよ
        sig.initVerify(pair.getPublic());
        sig.update(data);
        System.out.println(sig.verify(s));
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 鍵作るよ
        KeyPairGenerator gen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        KeyPair pair = gen.generateKeyPair();
        // "hello"を署名して検証するよ
        test("hello".getBytes(), pair);
    }
}

Signatureのサブクラスを実装してみる

署名の場合はSignatureクラスが担当します。

MySignature.java

package io.github.tshibata.sample;

import java.security.*;
import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
import java.security.interfaces.RSAPublicKey;

import java.math.BigInteger;

public class MySignature extends Signature {

// echo | openssl dgst -sign private.pem | openssl rsautl -verify -inkey private.pem -raw | head --bytes=-32 | base64

    private static byte[] padding = java.util.Base64.getDecoder().decode(
        "AAH/////////////////////////////////////////////////////////////////////////" +
        "////////////////////////////////////////////////////////////////////////////" +
        "////////////////////////////////////////////////////////////////////////////" +
        "////////////////////////////////////////////ADAxMA0GCWCGSAFlAwQCAQUABCA=");

    private RSAPrivateKey privateKey;

    private RSAPublicKey publicKey;

    private MessageDigest messageDigest;

    public MySignature() {
        super("SHA256withRSA");
        try {
            messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        } catch (NoSuchAlgorithmException exc) {
            throw new UnsupportedOperationException(exc);
        }
    }

    protected Object engineGetParameter(String param) throws InvalidParameterException {
        throw new UnsupportedOperationException("engineGetParameter");
    }

    protected void engineSetParameter(String param, Object value) throws InvalidParameterException {
        throw new UnsupportedOperationException("engineSetParameter");
    }

    protected void engineInitSign(PrivateKey key) throws InvalidKeyException {
        messageDigest.reset();
        privateKey = (RSAPrivateKey) key;
    }

    protected void engineInitVerify(PublicKey key) throws InvalidKeyException {
        messageDigest.reset();
        publicKey = (RSAPublicKey) key;
    }

    protected void engineUpdate(byte[] data, int offset, int length) throws SignatureException {
        messageDigest.update(data, offset, length);
    }

    protected void engineUpdate(byte data) throws SignatureException {
        messageDigest.update(data);
    }

    protected byte[] engineSign() throws SignatureException {
        byte[] data = new byte[256];
        System.arraycopy(padding, 0, data, 0, padding.length);
        byte[] digest = messageDigest.digest();
        System.arraycopy(digest, 0, data, padding.length, digest.length);
        BigInteger m = new BigInteger(1, data);
        BigInteger d = privateKey.getPrivateExponent();
        BigInteger n = privateKey.getModulus();
        BigInteger c = m.modPow(d, n);

        byte[] signed = new byte[256];
        for (int i = signed.length - 1; 0 <= i; i--) {
            signed[i] = c.byteValue();
            c = c.shiftRight(8);
        }
        return signed;
    }

    protected boolean engineVerify(byte[] signed) throws SignatureException {
        BigInteger c = new BigInteger(1, signed);
        BigInteger e = publicKey.getPublicExponent();
        BigInteger n = publicKey.getModulus();
        BigInteger m = c.modPow(e, n);

        byte[] data = new byte[256];
        System.arraycopy(padding, 0, data, 0, padding.length);
        byte[] digest = messageDigest.digest();
        System.arraycopy(digest, 0, data, padding.length, digest.length);
        for (int i = data.length - 1; 0 <= i; i--) {
            if (data[i] != m.byteValue()) {
                return false;
            }
            m = m.shiftRight(8);
        }
        return true;
    }
}

鍵の長さは2048bit（256byte）固定にしました。
ハッシュを作ってパディング付けてexponent乗してmodulusで割った余りを計算するだけです。
パディングはおまじないというか決まり事です。

echo | openssl dgst -sign private.pem | openssl rsautl -verify -inkey private.pem -raw | head --bytes=-32 | base64

ってやって作りました。
「exponent乗してmodulusで割った余り」ってがRSAのキモで、昔偉い学者さん達が見つけました。
でこれを使ってもらうために

MyProvider.java

package io.github.tshibata.sample;

import java.security.*;

public class MyProvider extends Provider {

    public MyProvider() {
        super("MyProvider", "1.0", "My provider");
        put("Alg.Alias.Signature.OID.1.2.840.113549.1.1.11", "SHA256withRSA");
        put("Signature.SHA256withRSA SupportedKeyClasses", "java.security.interfaces.RSAPublicKey|java.security.interfaces.RSAPrivateKey");
        put("Signature.SHA256withRSA", "io.github.tshibata.sample.MySignature");
        put("Alg.Alias.Signature.1.2.840.113549.1.1.11", "SHA256withRSA");
    }
}

というProviderのサブクラスを作って

Sample.java

package io.github.tshibata.sample;

import java.security.*;

public class Sample {
    static void test(byte[] data, KeyPair pair) throws Exception {
        Signature sig = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
        // 署名するよ
        sig.initSign(pair.getPrivate());
        sig.update(data);
        byte[] s = sig.sign();
        // Base64で出力してみるよ
        System.out.println(java.util.Base64.getEncoder().encodeToString​(s));
        // 検証するよ
        sig.initVerify(pair.getPublic());
        sig.update(data);
        System.out.println(sig.verify(s));
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 鍵作るよ
        KeyPairGenerator gen = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        KeyPair pair = gen.generateKeyPair();
        // "hello"を署名して検証するよ
        test("hello".getBytes(), pair);
        // MyProviderを使ってみるよ
        Security.insertProviderAt(new MyProvider(), 1);
        test("hello".getBytes(), pair);
    }
}

という感じで署名や検証の前に登録しておきます。insertProviderAtの第２引数は優先順位で1にしておけば最優先で使われます。