OpenSSL 使用 DSA 算法生成與驗證數位簽名完整實戰指南

DSA 簽名原理速覽

DSA (Digital Signature Algorithm) 是基於離散對數難題的非對稱簽名算法，**僅用於簽名/驗證，不可用於加密**。關鍵特性：

• 私鑰簽名，公鑰驗證
• 簽名過程需隨機數 k，**k 必須唯一且保密**，重複或洩露 k 會導致私鑰被推導（如 Sony PS3 簽名災難）
• 簽名長度固定（視金鑰長度：1024/2048/3072 位）
• **必須搭配 SHA-1（DSS1）雜湊**，OpenSSL 中以 -dss1 指定

金鑰生成流程

# 1. 生成 DSA 參數檔（僅需一次，可共用）
openssl dsaparam -out dsaparam.pem 2048

# 2. 生成私鑰（加密保護）
openssl gendsa -out dsa_private.pem -aes256 dsaparam.pem
# 輸入密碼保護私鑰

# 3. 導出公鑰
openssl dsa -in dsa_private.pem -pubout -out dsa_public.pem

# 4. (可選) 移除私鑰密碼（僅測試環境）
openssl dsa -in dsa_private.pem -out dsa_private_nopass.pem

命令列簽名與驗證

簽名

# 對明文檔案 s.txt 生成簽名 signature.bin
openssl dgst -dss1 -sign dsa_private.pem -out signature.bin s.txt

# 若私鑰有密碼，會提示輸入；或使用 -passin pass:yourpass

驗證

# 使用公鑰驗證簽名
openssl dgst -dss1 -verify dsa_public.pem -signature signature.bin s.txt
# 輸出: Verified OK / Verification Failure

PHP 程式碼實現簽名與驗證

簽名端（sign.php）

<?php
/**
 * DSA 簽名（PHP 7.0+ / OpenSSL 1.0.2+）
 * @param string $data      待簽明文
 * @param string $privKey   私鑰內容（PEM 格式，含 -----BEGIN DSA PRIVATE KEY-----）
 * @param string $passphrase 私鑰密碼（無則 null）
 * @return string|false     二進位簽名，失敗回傳 false
 */
function dsa_sign(string $data, string $privKey, ?string $passphrase = null) {
    $keyRes = openssl_get_privatekey($privKey, $passphrase);
    if (!$keyRes) {
        error_log('私鑰載入失敗: ' . openssl_error_string());
        return false;
    }
    
    $signature = '';
    $ok = openssl_sign($data, $signature, $keyRes, OPENSSL_ALGO_DSS1); // 關鍵：指定 DSS1 (SHA-1)
    openssl_free_key($keyRes);
    
    return $ok ? $signature : false;
}

// 使用範例
$data = '重要業務數據：訂單號 20240101001，金額 999.00 元';
$privKey = file_get_contents(__DIR__ . '/keys/dsa_private.pem');
$passphrase = 'your_strong_passphrase'; // 生產環境從 Vault/環境變數讀取

$sig = dsa_sign($data, $privKey, $passphrase);
if ($sig) {
    // 簽名通常以 Base64 或 Hex 儲存/傳輸
    file_put_contents(__DIR__ . '/signature.bin', $sig);
    echo '簽名成功，Base64: ' . base64_encode($sig) . "\n";
} else {
    echo '簽名失敗';
}

驗證端（verify.php）

<?php
/**
 * DSA 驗證
 * @param string $data      原始明文
 * @param string $signature 二進位簽名
 * @param string $pubKey    公鑰內容（PEM 格式）
 * @return bool
 */
function dsa_verify(string $data, string $signature, string $pubKey): bool {
    $keyRes = openssl_get_publickey($pubKey);
    if (!$keyRes) {
        error_log('公鑰載入失敗: ' . openssl_error_string());
        return false;
    }
    
    // openssl_verify 回傳: 1=成功, 0=失敗, -1=錯誤
    $result = openssl_verify($data, $signature, $keyRes, OPENSSL_ALGO_DSS1);
    openssl_free_key($keyRes);
    
    return $result === 1;
}

// 使用範例
$data = file_get_contents(__DIR__ . '/s.txt');
$sig = file_get_contents(__DIR__ . '/signature.bin');
$pubKey = file_get_contents(__DIR__ . '/keys/dsa_public.pem');

if (dsa_verify($data, $sig, $pubKey)) {
    echo "✅ 簽名驗證通過，資料完整且來源可信。\n";
} else {
    echo "❌ 簽名驗證失敗，資料可能被篡改或簽名無效。\n";
    // 詳細錯誤
    while ($err = openssl_error_string()) {
        error_log("OpenSSL Error: $err");
    }
}

PHP 直接查看簽名內容（除錯用）

<?php
// 將二進位簽名轉為 Hex 顯示
$sig = file_get_contents('signature.bin');
echo 'Signature (Hex): ' . bin2hex($sig) . "\n";
// 亦可轉 Base64
echo 'Signature (Base64): ' . base64_encode($sig) . "\n";

關鍵注意事項與最佳實踐

常見錯誤排查

• openssl_sign(): supplied key param cannot be coerced into a private key：私鑰格式錯誤、密碼錯誤、非 DSA 金鑰（如誤用 RSA 私鑰）。
• openssl_verify(): wrong signature length：簽名資料損壞、編碼不一致（Hex/Base64 未正確解碼）、公私鑰不匹配。
• Verification Failure 但確信資料正確：檢查明文編碼（UTF-8 vs 二進位）、行尾符（CRLF/LF）、BOM、空白字元差異。**簽名必須對完全相同的位元序列進行**。

現代架構建議：新專案優先採用 Ed25519（openssl_sign(..., OPENSSL_ALGO_ED25519) PHP 8.0+）、ECDSA P-256 或 RSA-PSS。DSA 維護現有相容系統即可，不建議新引入。