Go语言RSA签名与PKCS#1v1.5详解

本文深入解析Go语言中利用`crypto/rsa`包实现RSA数字签名的技术细节，重点讲解如何使用`SignPKCS1v15`和`VerifyPKCS1v15`函数，基于PKCS#1 v1.5标准完成数据签名与验证，确保信息安全。文章通过代码示例，详细阐述了RSA密钥对的生成与管理、消息哈希处理（如SHA256）以及签名、验签的具体流程。同时，强调了`crypto/rand.Reader`在签名过程中的重要性，并提供查找Go标准库测试用例的技巧，帮助开发者理解和应用RSA数字签名技术，保障数据传输的完整性、真实性和不可否认性，为Go语言开发者提供一份实用的RSA签名指南。

理解数字签名基础

数字签名是现代密码学中的一项关键技术，用于验证数字信息的真实性、完整性和不可否认性。它通过使用发送者的私钥对消息的哈希值进行加密，生成一个独特的签名。接收者可以使用发送者的公钥解密签名，并与自己计算的消息哈希值进行比对，从而确认消息来源的合法性以及消息在传输过程中是否被篡改。

Go语言的crypto/rsa包提供了RSA算法的实现，包括密钥生成、加密、解密以及数字签名和验证功能。其中，SignPKCS1v15和VerifyPKCS1v15函数是基于PKCS#1 v1.5标准的签名方案，广泛应用于各种安全通信场景。

RSA密钥对的生成与管理

在进行数字签名之前，首先需要生成一对RSA密钥：私钥（Private Key）用于签名，公钥（Public Key）用于验证。

package main

import (
    "crypto/rand"
    "crypto/rsa"
    "crypto/x509"
    "encoding/pem"
    "fmt"
    "log"
    "os"
)

// generateRSAKeyPair 生成指定位数的RSA密钥对
func generateRSAKeyPair(bits int) (*rsa.PrivateKey, *rsa.PublicKey, error) {
    privateKey, err := rsa.GenerateKey(rand.Reader, bits)
    if err != nil {
        return nil, nil, fmt.Errorf("failed to generate RSA private key: %w", err)
    }
    return privateKey, &privateKey.PublicKey, nil
}

// savePrivateKeyToPEM 将私钥保存为PEM格式文件
func savePrivateKeyToPEM(privateKey *rsa.PrivateKey, filename string) error {
    privatePEM := &pem.Block{
        Type:  "RSA PRIVATE KEY",
        Bytes: x509.MarshalPKCS1PrivateKey(privateKey),
    }
    return os.WriteFile(filename, pem.EncodeToMemory(privatePEM), 0600)
}

// savePublicKeyToPEM 将公钥保存为PEM格式文件
func savePublicKeyToPEM(publicKey *rsa.PublicKey, filename string) error {
    publicKeyBytes, err := x509.MarshalPKIXPublicKey(publicKey)
    if err != nil {
        return fmt.Errorf("failed to marshal public key: %w", err)
    }
    publicPEM := &pem.Block{
        Type:  "PUBLIC KEY",
        Bytes: publicKeyBytes,
    }
    return os.WriteFile(filename, pem.EncodeToMemory(publicPEM), 0644)
}

func main() {
    // 生成2048位的RSA密钥对
    privateKey, publicKey, err := generateRSAKeyPair(2048)
    if err != nil {
        log.Fatalf("Error generating keys: %v", err)
    }
    fmt.Println("RSA密钥对生成成功。")

    // 示例：将密钥保存到文件
    if err := savePrivateKeyToPEM(privateKey, "private.pem"); err != nil {
        log.Fatalf("Error saving private key: %v", err)
    }
    if err := savePublicKeyToPEM(publicKey, "public.pem"); err != nil {
        log.Fatalf("Error saving public key: %v", err)
    }
    fmt.Println("私钥已保存到 private.pem，公钥已保存到 public.pem")

    // 实际应用中，你可能需要从文件中加载密钥
    // loadPrivateKeyFromPEM("private.pem")
    // loadPublicKeyFromPEM("public.pem")
}

说明：

• rsa.GenerateKey(rand.Reader, bits)用于生成RSA私钥，rand.Reader是加密安全的随机数源，bits是密钥的长度（通常为2048或4096位）。
• x509.MarshalPKCS1PrivateKey和x509.MarshalPKIXPublicKey用于将私钥和公钥编码为标准的字节格式，以便进行PEM编码或存储。
• encoding/pem包用于将密钥编码为可读的PEM（Privacy-Enhanced Mail）格式，方便存储和传输。

消息的哈希处理

数字签名并非直接作用于原始消息，而是作用于消息的哈希值。这样做有几个优点：

1. 效率： 哈希值通常比原始消息短得多，签名和验证过程更快。
2. 安全性： 即使攻击者拥有签名，也难以从哈希值反推出原始消息。
3. 固定长度： 无论消息多长，哈希值长度固定，简化了签名算法设计。

在Go语言中，可以使用crypto包下的各种哈希算法（如sha256、sha512等）来计算消息的哈希值。

import (
    "crypto/sha256"
    "encoding/json"
    // ... 其他导入
)

// ExampleMessage 代表待签名的结构体消息
type ExampleMessage struct {
    ID        string `json:"id"`
    Content   string `json:"content"`
    Timestamp int64  `json:"timestamp"`
}

// hashMessage 计算消息的SHA256哈希值
func hashMessage(msg ExampleMessage) ([]byte, error) {
    // 将结构体序列化为字节切片
    messageBytes, err := json.Marshal(msg)
    if err != nil {
        return nil, fmt.Errorf("failed to marshal message: %w", err)
    }
    // 计算SHA256哈希
    hashed := sha256.Sum256(messageBytes)
    return hashed[:], nil // 返回字节切片
}

说明：

• 如果待签名消息是一个Go结构体，通常需要先将其序列化为字节切片（例如使用encoding/json、encoding/gob或protobuf等），然后再计算哈希。
• sha256.Sum256()返回一个[32]byte数组，需要通过切片操作hashed[:]将其转换为[]byte，以符合SignPKCS1v15和VerifyPKCS1v15的参数要求。

使用SignPKCS1v15进行签名

rsa.SignPKCS1v15函数用于使用私钥对消息的哈希值进行签名。

func SignPKCS1v15(rand io.Reader, priv *PrivateKey, hash crypto.Hash, hashed []byte) ([]byte, error)

参数解释：

• rand io.Reader: 加密安全的随机数源，通常使用crypto/rand.Reader。在PKCS#1 v1.5签名方案中，随机性对于防止某些攻击至关重要。
• priv *rsa.PrivateKey: 用于签名的RSA私钥。
• hash crypto.Hash: 用于计算消息哈希的哈希算法标识。例如，如果使用SHA256，则传入crypto.SHA256。这个参数是为了确保签名和验签时使用相同的哈希算法，并为PKCS#1 v1.5填充方案提供算法标识。
• hashed []byte: 消息的哈希值字节切片。

示例代码：

package main

import (
    "crypto"
    "crypto/rand"
    "crypto/rsa"
    "crypto/sha256"
    "encoding/json"
    "fmt"
    "log"
    "time"
)

// ExampleMessage 代表待签名的结构体消息
type ExampleMessage struct {
    ID        string `json:"id"`
    Content   string `json:"json"`
    Timestamp int64  `json:"timestamp"`
}

func main() {
    // 1. 生成RSA密钥对
    privateKey, err := rsa.GenerateKey(rand.Reader, 2048)
    if err != nil {
        log.Fatalf("Failed to generate RSA private key: %v", err)
    }
    publicKey := &privateKey.PublicKey

    fmt.Println("RSA密钥对生成成功。")

    // 2. 待签名消息
    message := ExampleMessage{
        ID:        "order-12345",
        Content:   "Client ordered 5 units of product X.",
        Timestamp: time.Now().Unix(),
    }

    // 3. 序列化消息并计算哈希值
    messageBytes, err := json.Marshal(message)
    if err != nil {
        log.Fatalf("Failed to marshal message: %v", err)
    }
    fmt.Printf("原始消息 (JSON): %s\n", string(messageBytes))

    hashed := sha256.Sum256(messageBytes)
    fmt.Printf("消息哈希 (SHA256): %x\n", hashed[:])

    // 4. 使用SignPKCS1v15进行签名
    // 参数：rand.Reader (随机源), privateKey (私钥), crypto.SHA256 (哈希算法标识), hashed[:] (哈希值)
    signature, err := rsa.SignPKCS1v15(rand.Reader, privateKey, crypto.SHA256, hashed[:])
    if err != nil {
        log.Fatalf("Failed to sign message: %v", err)
    }
    fmt.Printf("数字签名: %x\n", signature)

    // ... 接下来进行验签
}

使用VerifyPKCS1v15进行验签

rsa.VerifyPKCS1v15函数用于使用公钥验证数字签名的有效性。

func VerifyPKCS1v15(pub *PublicKey, hash crypto.Hash, hashed []byte, sig []byte) error

参数解释：

• pub *rsa.PublicKey: 用于验证签名的RSA公钥。
• hash crypto.Hash: 用于计算消息哈希的哈希算法标识。必须与签名时使用的哈希算法一致。
• hashed []byte: 原始消息的哈希值字节切片。这通常是接收方独立计算的消息哈希。
• sig []byte: 待验证的数字签名字节切片。

示例代码（接上文）：

package main

import (
    "crypto"
    "crypto/rand"
    "crypto/rsa"
    "crypto/sha256"
    "encoding/json"
    "fmt"
    "log"
    "time"
)

// ExampleMessage 代表待签名的结构体消息
type ExampleMessage struct {
    ID        string `json:"id"`
    Content   string `json:"content"`
    Timestamp int64  `json:"timestamp"`
}

func main() {
    // 1. 生成RSA密钥对
    privateKey, err := rsa.GenerateKey(rand.Reader, 2048)
    if err != nil {
        log.Fatalf("Failed to generate RSA private key: %v", err)
    }
    publicKey := &privateKey.PublicKey

    fmt.Println("RSA密钥对生成成功。")

    // 2. 待签名消息
    message := ExampleMessage{
        ID:        "order-12345",
        Content:   "Client ordered 5 units of product X.",
        Timestamp: time.Now().Unix(),
    }

    // 3. 序列化消息并计算哈希值
    messageBytes, err := json.Marshal(message)
    if err != nil {
        log.Fatalf("Failed to marshal message: %v", err)
    }
    fmt.Printf("原始消息 (JSON): %s\n", string(messageBytes))

    hashed := sha256.Sum256(message

今天带大家了解了的相关知识，希望对你有所帮助；关于Golang的技术知识我们会一点点深入介绍，欢迎大家关注golang学习网公众号，一起学习编程~