mbedtls移植之RSA签名验签算法（数字签名）

一、 mbedtls简介

MbedTLS是一个开源、可移植、易使用、可读性高的SSL库，实现了常所用的加解密算法、X.509证书操作以及TLS协议操作。MbedTLS各功能模块独立性高、耦合度低，可以通过配置宏定义进行功能裁剪，非常适合对空间和效率要求高的嵌入式系统。

二、RSA算法简介

1978年，由Ron Rivest、Adi Shamir和Reonard Adleman共同发表了公钥密码算法RSA，RSA目前是使用广泛的非对称加解密和签名验签算法。RSA密钥由公钥和私钥组成，基本特性如下：
1.公钥和私钥是成对出现的，一个公钥必然对应一个固定的私钥。同理，一个私钥也必然对应一个固定的公钥；
2.在加解密缓解，公钥用于加密，私钥用于解密；
3.在签名验签环节，私钥用于签名，公钥用于验签；
4.公钥通常是公开的，任何人都可以获取到，但私钥必须严格保密；
5.RSA按分组进行，若分组长度不足（例如1024bits或2048bits），则需要填充。填充方式分为PKCS#V1.5和PKCS#V2.1
6.非对称算法性能远低于对称算法

三、签名验签简介

签名验签机制被称为数字签名，通过该机制可实现完整性(Integrity)、认证性(Authenticity)、不和否认性(Non-Repudiation)的保护。通过使用私钥对原始数据进行签名，并同步将签名信息传递给接收者。接受者收到后，使用对应的公钥对签名进行验签，以确认接收到的原始数据是否有效。
原则为：私钥签名，公钥验签
详细请见RFC3447
总体流程如下图：

四、实现

demo代码：https://download.youkuaiyun.com/download/anjiyufei/88863376

4.1 移植MbedTLS代码

移植自mbedTLS 2.16版本
需移植的文件如下：

修改config.h文件

#ifndef MBEDTLS_CONFIG_H
#define MBEDTLS_CONFIG_H

#define MBEDTLS_ERROR_C
#define MBEDTLS_BIGNUM_C
#define MBEDTLS_OID_C
#define MBEDTLS_RSA_C
#define MBEDTLS_AES_C
#define MBEDTLS_MD_C
#define MBEDTLS_ENTROPY_C
#define MBEDTLS_GENPRIME
#define MBEDTLS_CTR_DRBG_C
#define MBEDTLS_PK_C
#define MBEDTLS_SHA256_C


//读pem证书
#define MBEDTLS_PEM_PARSE_C
#define MBEDTLS_PK_PARSE_C
#define MBEDTLS_ASN1_PARSE_C
#define MBEDTLS_BASE64_C
#define MBEDTLS_FS_IO

//填充方式，V15或V21两种模式必须二选一
//#define MBEDTLS_PKCS1_V21
#define MBEDTLS_PKCS1_V15

//不使用平台默认熵源，mbedtls在windows和linux下已实现熵源
#define MBEDTLS_NO_PLATFORM_ENTROPY
//#include "check_config.h"

#endif

4.2 引入头文件

引入相应的头文件

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <string.h>
#include "../crypto/mbedtls/rsa.h"
#include "../crypto/mbedtls/ctr_drbg.h"
#include "../crypto/mbedtls/entropy.h"
#include "../crypto/mbedtls/entropy_poll.h"
#include "../crypto/mbedtls/sha256.h"
#include "../crypto/mbedtls/pk.h"
#include "../crypto/mbedtls/error.h"

4.3 填充方式

RSA加解密时存在两种填充方式：PKCS#V1.5、PKCS#V2.1，必须在config.h中指定填充方式。
mbedtls的RSA中默认使用PKCS#V1.5的填充方式，若在代码中使用PKCS#V2.1，代码中需额外设置，具体设置见后续代码备注。
两种填充方式的差异此处不展开介绍。

4.3.1 PKCS#V2.1说明

在使用PK库时，mbedtls已提示默认使用PKCS#V1.5，无接口去调用PKCS#V2.1的填充方式

但实际测试发现，可通过mbedtls_rsa_set_padding(private_rsa_context,MBEDTLS_RSA_PKCS_V21,MBEDTLS_MD_SHA256)去实现PKCS#V2.1的填充
当添加如上代码后，跟踪到mbedtls_rsa_pkcs1_sign函数，可发现ctx的padding为1

4.4 公私钥和熵源

详见之前博客《mbedtls移植之RSA加解密算法》的3.4章节，此处不额外说明

4.5 读取密钥

从文件中读取pem格式的公私钥

//获取公钥
int get_public_key_from_file( mbedtls_pk_context *public_pk_context,const char *public_pem_file){
    char error[100];
    int result = mbedtls_pk_parse_public_keyfile(public_pk_context,public_pem_file);
    if(result != 0){
        printf("failed to parse public key from file:");
        mbedtls_strerror(result,error,sizeof(error));
        printf("%s\n",error);
        return -1;
    }else{
        printf("succeeded to parse public key from file!\n");
    }
    return 0;
}

//获取私钥
int get_private_key_from_file(mbedtls_pk_context *private_pk_context,const char *private_pem_file){

    char error[100];
    int result = mbedtls_pk_parse_keyfile(private_pk_context,private_pem_file,NULL);
    if(result != 0){
        printf("failed to parse private key from file:");
        mbedtls_strerror(result,error,sizeof(error));
        printf("%s\n",error);
        return -1;
    }else{
        printf("succeeded to parse private key from file!\n");
    }
    return 0;
}

4.6 计算HASH

在对文件进行签名时，需先计算文件的HASH，再使用RSA私钥进行签名。使用SHA256计算HASH过程如下：

int get_hash_from_file_by_sha256(const char *sign_file,unsigned char *hash){
    FILE *input_file = fopen(sign_file,"rb");
    unsigned char input_buffer[1024];
    size_t read_num = 0;
    mbedtls_sha256_context sha256_context;

    mbedtls_sha256_init(&sha256_context);
    mbedtls_sha256_starts(&sha256_context,0);
    while(1){
        read_num = fread(input_buffer,sizeof(char ),1024,input_file);
        if( read_num > 0){
            if(read_num == 1024){
                mbedtls_sha256_update(&sha256_context,input_buffer,read_num);
            }else{
                //文件尾
                mbedtls_sha256_update(&sha256_context,input_buffer,read_num);
                break;
            }
        }else{
            printf("failed to read file\n");
            mbedtls_sha256_free(&sha256_context);
            fclose(input_file);
            return -1;
        }
    }

    mbedtls_sha256_finish(&sha256_context,hash);
    /*
    printf("sha256 info:\n");
    for(int i=0;i<32;i++){
        printf("%02x",hash[i]);
    }
    printf("\n");
			*/
    fclose(input_file);
    mbedtls_sha256_free(&sha256_context);
    return 0;
}

4.7 签名和验签

有两种方式可以实现签名验签
1.使用RSA库
2.使用PK库（PK库为对RSA库的封装，包括封装了ECC算法，本质上最终还是会调用到RSA库或ECC库）
推荐使用PK库

4.7.1 调用RSA库

1.读取私钥和公钥信息
2.对待签名文件使用SHA256算法得到文件的HASH值
3.签名：使用私钥对文件HASH值进行签名，得到签名值。签名使用函数mbedtls_rsa_pkcs1_sign
4.验签：使用对应的公钥对签名值进行验证，得到验签结果。验签使用函数mbedtls_rsa_pkcs1_verify

注意:
默认使用PKCS#V1.5填充算法，若需使用PKCS#V2.1填充算法，请参考代码中注释部分

int sign_verify_by_rsa(){
    //个性化初始值：用于初始化伪随机数生成器，可设置为任意值
    const char *personalization = "Fr789jj-ikrkjfjs@";
    mbedtls_pk_context public_pk_context;
    mbedtls_pk_context private_pk_context;
    const char *public_pem_file = "D:\\tmp\\crypto\\rsa\\public.pem";
    const char *private_pem_file = "D:\\tmp\\crypto\\rsa\\private.pem";
    const char *sign_verify_file = "D:\\tmp\\crypto\\rsa\\music.mp3";
    char error[100];
    unsigned char signature_info[256];
    unsigned char hash_buffer[32];

    mbedtls_entropy_context entropy_context;
    mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg_context;

    mbedtls_entropy_init(&entropy_context);
    mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg_context);
    mbedtls_pk_init(&public_pk_context);
    mbedtls_pk_init(&private_pk_context);

    mbedtls_entropy_add_source(&entropy_context,get_clock_for_entropy,NULL,MBEDTLS_ENTROPY_MIN_PLATFORM,MBEDTLS_ENTROPY_SOURCE_STRONG);
    int result = mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg_context, mbedtls_entropy_func, &entropy_context, personalization,strlen(personalization));
    if(result){
        printf("failed to get drbg seed\n");
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -1;
    }

    result = get_private_key_from_file(&private_pk_context,private_pem_file);
    if(result != 0){
        printf("failed to get private key!\n");
        return -2;
    }

    //对文件进行签名

    //计算待加密文件HASH
    result = get_hash_from_file_by_sha256(sign_verify_file,hash_buffer);
    if(result != 0){
        printf("failed to get hash from file\n");
    }
    mbedtls_rsa_context *private_rsa_context = mbedtls_pk_rsa(private_pk_context);
    //因PK默认填充方式为V15，若需要使用V21填充方式，需添加如下代码。若使用V15，则无需添加。若使用V21填充方式，需同步在config.h中启用#define MBEDTLS_PKCS1_V21
    //mbedtls_rsa_set_padding(private_rsa_context,MBEDTLS_RSA_PKCS_V21,MBEDTLS_MD_SHA256);
    result = mbedtls_rsa_pkcs1_sign(private_rsa_context,mbedtls_ctr_drbg_random,&ctr_drbg_context,MBEDTLS_RSA_PRIVATE,MBEDTLS_MD_SHA256,sizeof(hash_buffer),hash_buffer,signature_info);
    if(result != 0){
        printf("failed to signature:");
        mbedtls_strerror(result,error,sizeof(error));
        printf("%s\n",error);
        return -3;
    }else{
        printf("succeeded to signature!\n");
        printf("signature info:\n");
        for(int i=0;i<256;i++){
            printf("%02x",signature_info[i]);
        }
        printf("\n");
        //签名写入文件
        FILE *sign_file = fopen("D:\\tmp\\crypto\\rsa\\mbedtls_sign-rsa.bin","wb");
        int write_num = fwrite(signature_info,sizeof(char),256,sign_file);
        if(write_num != 256){
            printf("failed to write signature to file\n");
        }
        fclose(sign_file);
    }

    //修改签名信息，查看验签是否失败
    //memset(signature_info+255,0xFF,1);

    //验签
    //从文件中读取公钥
    result = get_public_key_from_file(&public_pk_context,public_pem_file);
    if(result != 0){
        printf("failed to get public key!\n");
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -4;
    }
    //计算待加密文件HASH
    result = get_hash_from_file_by_sha256(sign_verify_file,hash_buffer);
    if(result != 0){
        printf("failed to get hash from file\n");
    }
    mbedtls_rsa_context *public_rsa_context = mbedtls_pk_rsa(public_pk_context);
    //因PK默认填充方式为V15，若需要使用V21填充方式，需添加如下代码。若使用V15，则无需添加。若使用V21填充方式，需同步在config.h中启用#define MBEDTLS_PKCS1_V21
    //mbedtls_rsa_set_padding(public_rsa_context,MBEDTLS_RSA_PKCS_V21,MBEDTLS_MD_SHA256);
    result = mbedtls_rsa_pkcs1_verify(public_rsa_context,mbedtls_ctr_drbg_random,&ctr_drbg_context,MBEDTLS_RSA_PUBLIC,MBEDTLS_MD_SHA256,sizeof(hash_buffer),hash_buffer,signature_info);
    if(result == 0){
        printf("succeeded to verify signature!\n");
    }else{
        printf("failed to verify signature:");
        mbedtls_strerror(result,error,sizeof(error));
        printf("%s\n",error);
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -5;
    }

    free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
    return 0;

}

4.7.1.1 运行效果

1.正常运行效果

2.篡改签名信息后验证
代码中启用注释掉的代码memset(signature_info+255,0xFF,1);
最终提示验签失败

3.使用openssl验签
上述代码中，成功后的签名信息会保存到D:\tmp\crypto\rsa\mbedtls_sign-rsa.bin
使用openssl命令进行验签，也可以验签通过（openssl使用PKCS#V1.5填充进行验签。若使用PKCS#V2.1签名，因填充方式不一致，会导致验签失败）

4.7.2 调用PK库

1.读取私钥和公钥信息
2.对待签名文件使用SHA256算法得到文件的HASH值
3.签名：使用私钥对文件HASH值进行签名，得到签名值。签名使用函数mbedtls_pk_sign
4.验签：使用对应的公钥对签名值进行验证，得到验签结果。验签使用函数mbedtls_pk_verify

注意:
默认使用PKCS#V1.5填充算法，若需使用PKCS#V2.1填充算法，请参考代码中注释部分

int sign_verify_by_pk(){
    //个性化初始值：用于初始化伪随机数生成器，可设置为任意值
    const char *personalization = "Fr789jj-ikrkjfjs@";
    mbedtls_pk_context public_pk_context;
    mbedtls_pk_context private_pk_context;
    const char *public_pem_file = "D:\\tmp\\crypto\\rsa\\public.pem";
    const char *private_pem_file = "D:\\tmp\\crypto\\rsa\\private.pem";
    const char *sign_verify_file = "D:\\tmp\\crypto\\rsa\\music.mp3";
    char error[100];
    unsigned char signature_info[256];
    unsigned char hash_buffer[32];

    mbedtls_entropy_context entropy_context;
    mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg_context;

    mbedtls_entropy_init(&entropy_context);
    mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg_context);
    mbedtls_pk_init(&public_pk_context);
    mbedtls_pk_init(&private_pk_context);

    mbedtls_entropy_add_source(&entropy_context,get_clock_for_entropy,NULL,MBEDTLS_ENTROPY_MIN_PLATFORM,MBEDTLS_ENTROPY_SOURCE_STRONG);
    int result = mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg_context, mbedtls_entropy_func, &entropy_context, personalization,strlen(personalization));
    if(result){
        printf("failed to get drbg seed\n");
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -1;
    }

    //对文件进行签名
    //从文件读取私钥
    result = get_private_key_from_file(&private_pk_context,private_pem_file);
    if(result != 0){
        printf("failed to get private key!\n");
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -2;
    }
    //计算待加密文件HASH
    result = get_hash_from_file_by_sha256(sign_verify_file,hash_buffer);
    if(result != 0){
        printf("failed to get hash from file\n");
    }
    //因PK默认填充方式为V15，若需要使用V21填充方式，需添加如下代码。若使用V15，则无需添加。若使用V21填充方式，需同步在config.h中启用#define MBEDTLS_PKCS1_V21
    //mbedtls_rsa_set_padding(mbedtls_pk_rsa(private_pk_context),MBEDTLS_RSA_PKCS_V21,MBEDTLS_MD_SHA256);
    size_t signature_length;
    result = mbedtls_pk_sign(&private_pk_context,MBEDTLS_MD_SHA256,hash_buffer,sizeof(hash_buffer),signature_info,&signature_length,mbedtls_ctr_drbg_random,&ctr_drbg_context);
    if(result != 0){
        printf("failed to signature:");
        mbedtls_strerror(result,error,sizeof(error));
        printf("%s\n",error);
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -3;
    }else{
        printf("succeeded to signature!\n");
        printf("signature info:\n");
        for(int i=0;i<signature_length;i++){
            printf("%02x",signature_info[i]);
        }
        printf("\n");
        //签名写入文件
        FILE *sign_file = fopen("D:\\tmp\\crypto\\rsa\\mbedtls_sign-pk.bin","wb");
        int write_num = fwrite(signature_info,sizeof(char),signature_length,sign_file);
        if(write_num != signature_length){
            printf("failed to write signature to file\n");
        }
        fclose(sign_file);
    }

    //修改签名信息，查看验签是否失败
    //memset(signature_info+255,0xFF,1);

    //验签
    //从文件中读取公钥
    result = get_public_key_from_file(&public_pk_context,public_pem_file);
    if(result != 0){
        printf("failed to get public key!\n");
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -4;
    }
    //计算待加密文件HASH
    result = get_hash_from_file_by_sha256(sign_verify_file,hash_buffer);
    if(result != 0){
        printf("failed to get hash from file\n");
    }
    //因PK默认填充方式为V15，若需要使用V21填充方式，需添加如下代码。若使用V15，则无需添加。若使用V21填充方式，需同步在config.h中启用#define MBEDTLS_PKCS1_V21
    //mbedtls_rsa_set_padding(mbedtls_pk_rsa(private_pk_context),MBEDTLS_RSA_PKCS_V21,MBEDTLS_MD_SHA256);
    //最后一个参数为签名长度，RSA-2048为256Bytes(先HASH在签名)
    result = mbedtls_pk_verify(&public_pk_context,MBEDTLS_MD_SHA256,hash_buffer,sizeof(hash_buffer),signature_info,256);
    if(result == 0){
        printf("succeeded to verify signature!\n");
    }else{
        printf("failed to verify signature:");
        mbedtls_strerror(result,error,sizeof(error));
        printf("%s\n",error);
        free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
        return -5;
    }
    free_context(&public_pk_context,&private_pk_context,&entropy_context,&ctr_drbg_context);
    return 0;

}

4.7.2.1 运行效果

1.正常运行效果

2.篡改签名信息后验证
代码中启用注释掉的代码memset(signature_info+255,0xFF,1);
最终提示验签失败

3.使用openssl验签
上述代码中，成功后的签名信息会保存到D:\tmp\crypto\rsa\mbedtls_sign-pk.bin
使用openssl命令进行验签，也可以验签通过（openssl使用PKCS#V1.5填充进行验签。若使用PKCS#V2.1签名，因填充方式不一致，会导致验签失败）