Java中KECCAK-384哈希与RSA签名：无标准OID的挑战与实现限制

本文探讨在java标准库中实现keccak-384哈希与rsa两步签名时面临的挑战。由于keccak-384缺乏官方标准oid和对应的digestinfo结构，直接使用`signature.getinstance("nonewithrsa")`进行签名变得复杂且缺乏互操作性，通常需要依赖特定jca提供者或外部库来处理。

理解数字签名与DigestInfo结构

在现代密码学中，数字签名是确保数据完整性和认证性的关键技术。RSA签名通常不对原始数据进行直接签名，而是对数据的哈希值进行签名。为了确保签名的安全性、可验证性和互操作性，哈希值在签名之前通常会被封装在一个名为DigestInfo的ASN.1结构中。

DigestInfo结构是一个SEQUENCE，包含两个主要部分：

1. AlgorithmIdentifier（算法标识符）：这是一个SEQUENCE，包含哈希算法的OID（Object Identifier，对象标识符）以及可选的参数。它明确指明了用于生成哈希值的算法。
2. Digest（哈希值）：原始数据的哈希结果。

当使用Java的Signature API进行签名时，特别是当采用"NoneWithRSA"模式对预计算的哈希值进行签名时，Signature实例通常期望接收一个符合PKCS#1 v1.5或PSS标准的输入。对于PKCS#1 v1.5，这意味着输入数据需要是包含DigestInfo结构的字节数组。DigestInfo的存在对于验证方至关重要，因为它告诉验证方在验证签名时应该使用哪种哈希算法来重新计算数据的哈希值。

KECCAK-384的特殊性：缺乏标准OID

Java的JCA（Java Cryptography Architecture）提供了对多种哈希算法和签名算法的支持。对于许多标准算法，如SHA-2系列（SHA-256、SHA-384等）和SHA-3系列（SHA3-256、SHA3-384等），它们都有明确定义的OID，并且这些OID被广泛接受和标准化（例如，通过RFC文档）。这使得JCA提供者可以轻松地构建或解析包含这些算法的DigestInfo结构。

立即学习“Java免费学习笔记（深入）”；

然而，KECCAK-384（一种SHA-3竞赛的最终入围算法，但与最终的FIPS 202标准SHA-3不同）的情况则有所不同。截至目前，KECCAK-384没有在官方RFC中获得一个标准化的OID。这意味着：

• 缺乏统一的算法标识：没有一个普遍认可的方式来在DigestInfo结构中表示“KECCAK-384”。
• 互操作性挑战：不同的JCA提供者（或第三方库）如果选择支持KECCAK-384，可能会为其分配内部或私有的标识符，或者采用不同的DigestInfo封装方式，这导致了严重的互操作性问题。一个提供者生成的KECCAK-384签名，可能无法被另一个提供者验证。

正如问题答案中指出的：“事实上，每个提供者都自行决定Keccak 384的头部，因为它不在RFC中。”这明确说明了KECCAK-384在标准化方面的现状，以及由此带来的实现复杂性。

FaceHub

免费的在线AI换脸工具网站

下载

Java Signature API的限制

当尝试在Java中实现KECCAK-384的哈希与RSA两步签名时，Signature.getInstance("NoneWithRSA")方法会遇到困难。

1. SHA3-384的成功案例 对于具有标准OID的算法，例如SHA3-384，可以手动构建包含DigestInfo的字节数组，并将其提供给NoneWithRSA进行签名。例如：

   import java.security.*;
   import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
   import java.util.Base64;
   import javax.crypto.Cipher;
   
   public class Sha384RsaExample {
   
       public static void main(String[] args) throws Exception {
           // 1. 生成RSA密钥对 (实际应用中应从安全存储加载)
           KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
           keyPairGenerator.initialize(2048);
           KeyPair rsaKeyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
   
           // 2. 模拟数据并计算SHA3-384哈希
           byte[] dataToSign = "This is some data to be signed.".getBytes("UTF-8");
           MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA3-384");
           byte[] hashToSign = md.digest(dataToSign);
   
           // 3. 构建DigestInfo结构 (对于SHA3-384)
           // SHA3-384的OID: 2.16.840.1.101.3.4.2.10 (参考RFC 8419)
           // DigestInfo结构: SEQUENCE { AlgorithmIdentifier, OCTET STRING }
           // AlgorithmIdentifier: SEQUENCE { OID, NULL }
           // 这部分通常需要ASN.1编码库来辅助构建，这里简化为字节数组示例。
           // 实际DigestInfo的构建会更复杂，这里仅为示意。
           // 这是一个PKCS#1 v1.5 padding scheme 的 DigestInfo 结构示例
           // 对于SHA3-384，其OID是 2.16.840.1.101.3.4.2.10
           // ASN.1 DER编码的SHA3-384 AlgorithmIdentifier (SEQUENCE { OID, NULL }):
           // 30 11 -- SEQUENCE (17 bytes)
           //   06 09 -- OID (9 bytes)
           //     2A 86 48 CE 3D 04 02 0A -- 2.16.840.1.101.3.4.2.10 (SHA3-384 OID)
           //   05 00 -- NULL
           //
           // DigestInfo结构 = SEQUENCE { AlgorithmIdentifier, OCTET STRING(hash) }
           // 30 4D -- SEQUENCE (77 bytes)
           //   30 11 -- AlgorithmIdentifier (SHA3-384)
           //     06 09 2A 86 48 CE 3D 04 02 0A
           //     05 00
           //   04 30 -- OCTET STRING (48 bytes, SHA3-384 hash length)
           //     ...hashToSign...
           byte[] sha384AlgId = new byte[]{
               (byte)0x30, (byte)0x11, (byte)0x06, (byte)0x09, (byte)0x2A, (byte)0x86, (byte)0x48, (byte)0xCE,
               (byte)0x3D, (byte)0x04, (byte)0x02, (byte)0x0A, (byte)0x05, (byte)0x00
           };
   
           // 组合成完整的DigestInfo结构
           // 30 LL (SEQUENCE)
           //   30 11 (AlgorithmIdentifier for SHA3-384)
           //   04 HH (OCTET STRING for hash)
           byte[] digestinfo = new byte[sha384AlgId.length + hashToSign.length + 2 + 2]; // SEQUENCE tag+len, OCTET STRING tag+len
           int offset = 0;
           // SEQUENCE tag (30)
           digestinfo[offset++] = (byte)0x30;
           // SEQUENCE length (total length of contents)
           int totalContentsLength = sha384AlgId.length + 2 + hashToSign.length; // AlgId + OCTET STRING tag + len + hash len
           if (totalContentsLength > 127) { // For lengths > 127, need multi-byte length encoding
               // This simplified example assumes length fits in one byte.
               // For production, use a proper ASN.1 library.
               throw new UnsupportedOperationException("Length too large for simple example");
           }
           digestinfo[offset++] = (byte)totalContentsLength;
   
           System.arraycopy(sha384AlgId, 0, digestinfo, offset, sha384AlgId.length);
           offset += sha384AlgId.length;
   
           // OCTET STRING tag (04)
           digestinfo[offset++] = (byte)0x04;
           // OCTET STRING length (hash length)
           digestinfo[offset++] = (byte)hashToSign.length;
           System.arraycopy(hashToSign, 0, digestinfo, offset, hashToSign.length);
   
           // 4. 使用NoneWithRSA签名
           Signature signEng1 = Signature.getInstance("NoneWithRSA");
           signEng1.initSign(rsaKeyPair.getPrivate());
           signEng1.update(digestinfo); // 提供完整的DigestInfo结构
           byte[] sig1 = signEng1.sign();
   
           System.out.println("SHA3-384 with RSA Signature (Base64): " + Base64.getEncoder().encodeToString(sig1));
   
           // 5. 验证签名
           Signature verifyEng1 = Signature.getInstance("NoneWithRSA");
           verifyEng1.initVerify(rsaKeyPair.getPublic());
           verifyEng1.update(digestinfo); // 验证时也需要提供相同的DigestInfo
           boolean isValid = verifyEng1.verify(sig1);
           System.out.println("Signature valid: " + isValid);
       }
   }

   上述代码中，关键在于能够构建出正确的digestinfo字节数组，其中包含了SHA3-384的标准化OID。

2. KECCAK-384面临的困境 对于KECCAK-384，由于缺乏标准的OID，我们无法构建一个被普遍接受的DigestInfo结构。

   • 如果尝试像SHA3-384那样手动构建一个DigestInfo，但使用一个“臆造”的OID，那么其他系统或JCA提供者将无法识别这个OID，从而无法验证签名。
   • 如果直接将原始的KECCAK-384哈希值提供给NoneWithRSA（即不包含DigestInfo），虽然Signature实例可以对其进行签名，但生成的签名将不符合PKCS#1 v1.5标准。验证方在验证时将无法得知哈希算法是KECCAK-384，这可能导致安全漏洞（例如，哈希算法替换攻击）或互操作性问题。

因此，在不使用外部库的情况下，直接通过Java标准API实现KECCAK-384与RSA的两步签名，并确保其互操作性和安全性，几乎是不可能的。

解决方案与考量

尽管存在上述挑战，但仍有一些方法可以处理KECCAK-384与RSA签名的问题，尽管它们各有局限性：

1. 使用第三方密码学库（如BouncyCastle） 这是最推荐的解决方案。BouncyCastle是一个强大的第三方JCA提供者，它通常会实现最新的、非标准化的或特定领域的密码学算法，并为它们提供一致的API和（通常是）私有但稳定的OID。

   • BouncyCastle可能已经为KECCAK-384定义了内部OID和DigestInfo结构。
   • 通过注册BouncyCastle作为JCA提供者，你可以直接使用Signature.getInstance("KECCAK-384withRSA", "BC")或通过其工具类构建相应的DigestInfo。
   • 优点：提供了一致且功能丰富的实现，解决了OID问题，提高了互操作性（在BouncyCastle生态系统内）。
   • 缺点：引入了外部依赖，与用户“不使用外部库”的要求相悖。

2. 依赖JCA提供者特定实现 如果你的项目严格限制不能引入外部库，并且目标部署环境中的JCA提供者（例如Oracle JDK内置的SunJCE或特定硬件安全模块的提供者）恰好支持KECCAK-384并定义了其内部的OID或DigestInfo处理方式，那么你可能可以利用该提供者的特定功能。

   • 你需要查阅该提供者的详细文档，了解其如何处理KECCAK-384。
   • 这通常意味着你的代码将与该特定提供者紧密耦合，降低了可移植性。
   • 优点：可能满足不引入外部库的要求。
   • 缺点：高度依赖特定提供者，缺乏互操作性，难以迁移。

3. 直接签名原始哈希（不推荐） 你可以将KECCAK-384的原始哈希值直接传递给Signature.getInstance("NoneWithRSA")，而不封装DigestInfo。

   // 假设 hashToSign 是 KECCAK-384 的原始哈希值
   Signature signEng = Signature.getInstance("NoneWithRSA");
   signEng.initSign(rsaKeyPair.getPrivate());
   signEng.update(hashToSign); // 直接更新原始哈希
   byte[] sig = signEng.sign();

   • 优点：代码简单，避免了DigestInfo的复杂性。
   • 缺点：严重的安全隐患和互操作性问题。验证方无法从签名本身得知哈希算法，必须通过带外信息（out-of-band）获取，这容易导致错误和安全漏洞。不符合PKCS#1 v1.5标准。

4. 推动或等待标准化 从长远来看，如果KECCAK-384需要在广泛的互操作性场景中使用，其OID和DigestInfo结构必须被标准化（例如，通过IETF RFC）。一旦标准化，JCA提供者和第三方库将能够提供一致的实现。

总结

在Java中实现KECCAK-384哈希与RSA的两步签名，而不依赖外部库，是一个具有挑战性的任务。核心问题在于KECCAK-384缺乏一个标准化的OID和对应的DigestInfo结构。这导致了JCA标准API在处理此类算法时缺乏统一的机制，进而引发互操作性和安全性方面的顾虑。

对于大多数生产环境，推荐的解决方案是使用像BouncyCastle这样的第三方密码学库，它们通常提供了对这类非标准化或新兴算法的完善支持。如果严格限制不能引入外部库，则必须深入了解并依赖于特定JCA提供者的实现细节，但这会牺牲代码的可移植性和互操作性。在没有标准化OID的情况下，直接签名原始哈希是不推荐的做法，因为它会引入安全风险并破坏互操作性。