Java 數位簽名算法 RSA 實戰：從原理到完整代碼實現

Java 數位簽名算法 RSA 實戰：從原理到完整代碼實現

數位簽名是資訊安全三大支柱（機密性、完整性、不可否認性）中實現完整性驗證與不可否認性的核心技術。RSA 作為最經典的非對稱加密算法，結合雜湊函數（MD5/SHA）構成 MD5withRSA、SHA256withRSA 等簽名算法。本文將從數學原理、Java API 設計、完整代碼實現、安全最佳實踐四個維度徹底講透 RSA 數位簽名。

核心概念：簽名 ≠ 加密

關鍵區別：簽名用私鑰簽、公鑰驗；加密用公鑰加、私鑰解。切勿混淆。

RSA 簽名執行流程

1. 雜湊：對原始資料計算雜湊值（MD5/SHA-256/SHA-512），產生固定長度摘要。
2. 簽名：發送方使用私鑰對摘要進行 RSA 加密運算，產生簽名值。
3. 傳輸：原始資料 + 簽名值 + 公鑰證書/ID 一起傳輸。
4. 驗證：接收方用相同雜湊算法計算資料摘要，用公鑰解密簽名值得到原摘要，比對兩者是否一致。

Java 核心 API 體系

完整代碼實現：RSA-SHA256 簽名驗證

package com.example.crypto;

import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.*;
import java.security.spec.*;
import java.util.Base64;

public class RsaSignatureUtil {

    private static final String ALGORITHM = "RSA";
    private static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "SHA256withRSA";
    private static final int KEY_SIZE = 2048; // 至少 2048 位，1024 已不安全

    /** 生成金鑰對，返回 Base64 編碼的公私鑰 */
    public static KeyPair generateKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException {
        KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(ALGORITHM);
        kpg.initialize(KEY_SIZE, new SecureRandom());
        return kpg.generateKeyPair();
    }

    /** 私鑰簽名，返回 Base64 編碼簽名 */
    public static String sign(String data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initSign(privateKey);
        signature.update(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        byte[] rawSig = signature.sign();
        return Base64.getEncoder().encodeToString(rawSig);
    }

    /** 公鑰驗證 */
    public static boolean verify(String data, String base64Signature, PublicKey publicKey) throws Exception {
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initVerify(publicKey);
        signature.update(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        byte[] rawSig = Base64.getDecoder().decode(base64Signature);
        return signature.verify(rawSig);
    }

    /** 從 Base64 字串還原 PrivateKey (PKCS#8) */
    public static PrivateKey restorePrivateKey(String base64PrivateKey) throws Exception {
        byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(base64PrivateKey);
        PKCS8EncodedKeySpec spec = new PKCS8EncodedKeySpec(decoded);
        KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        return kf.generatePrivate(spec);
    }

    /** 從 Base64 字串還原 PublicKey (X.509) */
    public static PublicKey restorePublicKey(String base64PublicKey) throws Exception {
        byte[] decoded = Base64.getDecoder().decode(base64PublicKey);
        X509EncodedKeySpec spec = new X509EncodedKeySpec(decoded);
        KeyFactory kf = KeyFactory.getInstance(ALGORITHM);
        return kf.generatePublic(spec);
    }

    // 測試主程式
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 生成金鑰對
        KeyPair kp = generateKeyPair();
        String pubBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(kp.getPublic().getEncoded());
        String priBase64 = Base64.getEncoder().encodeToString(kp.getPrivate().getEncoded());
        System.out.println("PublicKey (Base64): " + pubBase64);
        System.out.println("PrivateKey (Base64): " + priBase64);

        // 2. 簽名
        String data = "重要業務資料：訂單金額 10000 元";
        String signature = sign(data, kp.getPrivate());
        System.out.println("Signature (Base64): " + signature);

        // 3. 驗證（模擬接收方只有公鑰）
        PublicKey restoredPub = restorePublicKey(pubBase64);
        boolean valid = verify(data, signature, restoredPub);
        System.out.println("驗證結果: " + valid); // true

        // 4. 篡改資料驗證失敗
        boolean tampered = verify(data + " (竄改)", signature, restoredPub);
        System.out.println("篡改後驗證: " + tampered); // false
    }
}

關鍵安全最佳實踐

1. 金鑰長度 ≥ 2048 位：1024 位 RSA 已可被暴力破解，NIST 強制要求 2048+，長期機密建議 3072/4096。
2. 雜湊算法選 SHA-256 或以上：MD5withRSA、SHA1withRSA 已被棄用（碰撞攻擊）。優先使用 SHA256withRSA、SHA512withRSA。
3. 使用 SecureRandom：金鑰生成、簽名隨機填充（PSS 模式）需加密級隨機數源。
4. 私鑰全生命週期保護：
   • 生成即加密儲存（PKCS#12 / JCEKS / HSM / KMS）
   • 記憶體中使用後立即清零（char[] 代替 String）
   • 不出現在日誌、堆轉儲、配置檔、Git 歷史
5. 採用 RSA-PSS 填充模式（JDK 11+）：Signature.getInstance("SHA256withRSAandMGF1") 或 RSASSA-PSS，比 PKCS#1 v1.5 更抗選擇明文攻擊。
6. 時間戳與 Nonce 防重放：簽名資料包含 timestamp、nonce，驗證端檢查時效性與唯一性。
7. 證書鏈驗證：生產環境公鑰應透過 X.509 證書鏈（CA 根證書信任錨）驗證身份，而非裸公鑰。

常見異常與排查

擴展：金鑰持久化與跨語言互操作

• PKCS#8 / X.509 DER 編碼：Java getEncoded() 產出標準格式，可直接被 OpenSSL、Python cryptography、Go crypto/rsa、Node.js crypto 讀取。
• PEM 格式轉換：Base64 包裝 + -----BEGIN PRIVATE KEY----- 標頭，通用性最強。
• JWT 整合：RS256 算法即 SHA256withRSA，java-jwt、nimbus-jose-jwt 庫可直接載入 PrivateKey/PublicKey 簽發/驗證 Token。

總結

RSA 數位簽名是現代分散式系統信任基石。掌握 私鑰簽/公鑰驗 核心語義、SHA256withRSA 算法選型、2048+ 位金鑰、私鑰全鏈路防護、PSS 填充模式、跨語言 PKCS#8/X.509 互操作，即可構建安全可靠的簽名體系。代碼層面核心僅三步：Signature.getInstance → initSign/initVerify → update → sign/verify，但安全細節決定成敗，容不得半點馬虎。