D04_EcdsaSignatureFile.java

package net.bplaced.javacrypto.signature;

/*
* Herkunft/Origin: http://javacrypto.bplaced.net/
* Programmierer/Programmer: Michael Fehr
* Copyright/Copyright: frei verwendbares Programm (Public Domain)
* Copyright: This is free and unencumbered software released into the public domain.
* Lizenttext/Licence: <http://unlicense.org>
* getestet mit/tested with: Java Runtime Environment 8 Update 191 x64
* Datum/Date (dd.mm.jjjj): 09.01.2019 
* Funktion: signiert und verifiziert eine Datei mittels ECDSA (Asymmetrisch)
* Function: signs and verifies a file using ECDSA (asymmetric)
*
* Sicherheitshinweis/Security notice
* Die Programmroutinen dienen nur der Darstellung und haben keinen Anspruch auf eine 
* korrekte Funktion, insbesondere mit Blick auf die Sicherheit ! 
* Prüfen Sie die Sicherheit bevor das Programm in der echten Welt eingesetzt wird.
* The program routines just show the function but please be aware of the security part - 
* check yourself before using in the real world !
*/

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.NoSuchProviderException;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.Signature;
import java.security.SignatureException;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;

public class D04_EcdsaSignatureFile {

	public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException, SignatureException,
			IOException, InvalidKeySpecException, NoSuchProviderException {
		System.out.println("D04 ECDSA Signatur mit einer Datei");

		String messageFilenameString = "d02_message.txt";

		// KeyPair generieren
		int ecdsaKeyLengthInt = 256; // 256, 384, 409, 521, 571 bit
		String ecdsaHashverfahrenString = "SHA256withECDSA"; // SHA256withECDSA, SHA384withECDSA, SHA512withECDSA
		String ecdsaPrivateKeyFilenameString = "ecdsa_privateKey_" + ecdsaKeyLengthInt + ".privatekey";
		String ecdsaPublicKeyFilenameString = "ecdsa_publicKey_" + ecdsaKeyLengthInt + ".publickey";
		String ecdsaSignatureFilenameString = "ecdsa_Signature.dat";
		KeyPair keyPair = generateEcdsaKeyPair(ecdsaKeyLengthInt);
		PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();
		PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
		// ausgabe der schlüsseldaten
		System.out.println("\nprivate Key  Länge:" + privateKey.getEncoded().length + " Data:\n"
				+ byteArrayPrint(privateKey.getEncoded(), 33));
		System.out.println("\npublic Key   Länge: " + publicKey.getEncoded().length + " Data:\n"
				+ byteArrayPrint(publicKey.getEncoded(), 33));
		System.out.println("\nPublic Key: " + publicKey.toString());
		// speicherung der beiden keys
		savePrivateKeyAsBytearray(privateKey, ecdsaPrivateKeyFilenameString);
		savePublicKeyAsBytearray(publicKey, ecdsaPublicKeyFilenameString);
		System.out.println("Der privateKey und publicKey wurden gespeichert:" + ecdsaPrivateKeyFilenameString + "/"
				+ ecdsaPublicKeyFilenameString);
		// diese nachricht soll signiert werden
		// hier wird der hashwert der datei signiert um die datenmenge innerhalb der
		// signatur gering zu halten:
		byte[] messageByte = calcSHA256BufferedFile(messageFilenameString);
		System.out.println("\nDie Datei wurde gelesen:" + messageFilenameString + " und der SHA256-Hashwert erzeugt:"
				+ DatatypeConverter.printHexBinary(messageByte));
		// die signatur erfolgt mit dem privaten schlüssel, der jetzt geladen wird
		PrivateKey privateKeyLoad = loadEcdsaPrivateKeyAsBytearray(ecdsaPrivateKeyFilenameString);
		System.out.println("\nDer privateKey wurde zur Signatur geladen:\"" + ecdsaPrivateKeyFilenameString);
		byte[] signatureByte = signPrivateKey(privateKeyLoad, ecdsaHashverfahrenString, messageByte);
		System.out.println(
				"\nsignatureByte Länge:" + signatureByte.length + " Data:\n" + byteArrayPrint(signatureByte, 33));
		// speicherung der signatur
		writeBytesToFileNio(signatureByte, ecdsaSignatureFilenameString);
		System.out.println("Die ecdsaSignatur wurde gespeichert:" + ecdsaSignatureFilenameString);
		// die überprüfung der signatur erfolgt mit dem öffentlichen schlüssel, der
		// jetzt geladen wird
		PublicKey publicKeyLoad = loadEcdsaPublicKeyAsBytearray(ecdsaPublicKeyFilenameString);
		System.out.println("\nDer publicKey wurde zur Verifizierung geladen:" + ecdsaPublicKeyFilenameString);
		byte[] messageLoadByte = calcSHA256BufferedFile(messageFilenameString);
		System.out.println("Die message wurde gelesen:" + messageFilenameString + " und der SHA256-Hashwert erzeugt:" + DatatypeConverter.printHexBinary(messageLoadByte));
		byte[] signatureLoadByte = readBytesFromFileNio(ecdsaSignatureFilenameString);
		System.out.println("Die Signature wurde gelesen:" + ecdsaSignatureFilenameString);
		boolean signatureIsCorrectBoolean = verifyPublicKey(publicKeyLoad, ecdsaHashverfahrenString, messageLoadByte,
				signatureLoadByte);
		System.out.println("\nÜberprüfung der Signatur mit dem publicKey: die Signatur ist korrekt:" + signatureIsCorrectBoolean);
		// veränderung der nachricht
		System.out.println("\nVeränderung der Nachricht");
		messageByte = "Nachricht fuer Signatur2".getBytes("utf-8");
		System.out.println("Veränderte-Nachricht hex   :" + byteArrayPrint(messageByte, 33));
		signatureIsCorrectBoolean = verifyPublicKey(publicKeyLoad, ecdsaHashverfahrenString, messageByte, signatureByte);
		System.out.println("\nÜberprüfung der Signatur mit dem publicKey: die Signatur ist korrekt:" + signatureIsCorrectBoolean);
	}
	public static KeyPair generateEcdsaKeyPair(int keylengthInt)
			throws NoSuchAlgorithmException, NoSuchProviderException {
		KeyPairGenerator keypairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("EC");
		SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
		keypairGenerator.initialize(keylengthInt, random);
		return keypairGenerator.generateKeyPair();
	}
	public static byte[] signPrivateKey(PrivateKey privateKey, String rsaInstanceString, byte[] messageByte)
			throws SignatureException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
		Signature signature = Signature.getInstance(rsaInstanceString);
		signature.initSign(privateKey);
		signature.update(messageByte);
		return signature.sign();
	}
	public static Boolean verifyPublicKey(PublicKey publicKey, String rsaInstanceString, byte[] messageByte,
			byte[] signatureByte) throws SignatureException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
		Signature publicSignature = Signature.getInstance(rsaInstanceString);
		publicSignature.initVerify(publicKey);
		publicSignature.update(messageByte);
		return publicSignature.verify(signatureByte);
	}
	private static void savePrivateKeyAsBytearray(PrivateKey key, String filenameString) throws IOException {
		PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(key.getEncoded());
		FileOutputStream fos = new FileOutputStream(filenameString);
		fos.write(pkcs8EncodedKeySpec.getEncoded());
		fos.close();
	}
	private static void savePublicKeyAsBytearray(PublicKey key, String filenameString) throws IOException {
		X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(key.getEncoded());
		FileOutputStream fos = new FileOutputStream(filenameString);
		fos.write((x509EncodedKeySpec).getEncoded());
		fos.close();
	}
	private static PrivateKey loadEcdsaPrivateKeyAsBytearray(String filenameString)
			throws IOException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException, NoSuchProviderException {
		File filenameKeyString = new File(filenameString);
		FileInputStream fis = new FileInputStream(filenameKeyString);
		byte[] encodedPrivateKey = new byte[(int) filenameKeyString.length()];
		fis.read(encodedPrivateKey);
		fis.close();
		KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
		PKCS8EncodedKeySpec privateKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(encodedPrivateKey);
		PrivateKey privateKeyRead = keyFactory.generatePrivate(privateKeySpec);
		return privateKeyRead;
	}
	private static PublicKey loadEcdsaPublicKeyAsBytearray(String filenameString)
			throws IOException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException, NoSuchProviderException {
		File filenameKeyString = new File(filenameString);
		FileInputStream fis = new FileInputStream(filenameKeyString);
		byte[] encodedPublicKey = new byte[(int) filenameKeyString.length()];
		fis.read(encodedPublicKey);
		fis.close();
		KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("EC");
		X509EncodedKeySpec publicKeySpec = new X509EncodedKeySpec(encodedPublicKey);
		PublicKey publicKeyRead = keyFactory.generatePublic(publicKeySpec);
		return publicKeyRead;
	}
	private static byte[] readBytesFromFileNio(String filenameString) {
		byte[] byteFromFileByte = null;
		try {
			byteFromFileByte = Files.readAllBytes(Paths.get(filenameString));
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		return byteFromFileByte;
	}
	public static byte[] calcSHA256BufferedFile(String filenameString) throws IOException, NoSuchAlgorithmException {
		// liest die datei über einen buffer ein - sehr viel geringere speichernutzung
		byte[] buffer = new byte[8192];
		int count;
		MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
		BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(filenameString));
		while ((count = bis.read(buffer)) > 0) {
			digest.update(buffer, 0, count);
		}
		bis.close();

		byte[] hash = digest.digest();
		return hash;
	}
	private static void writeBytesToFileNio(byte[] byteToFileByte, String filenameString) {
		try {
			Path path = Paths.get(filenameString);
			Files.write(path, byteToFileByte);
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	public static String byteArrayPrint(byte[] byteData, int numberPerRow) {
		String returnString = "";
		String rawString = DatatypeConverter.printHexBinary(byteData);
		int rawLength = rawString.length();
		int i = 0;
		int j = 1;
		int z = 0;
		for (i = 0; i < rawLength; i++) {
			z++;
			returnString = returnString + rawString.charAt(i);
			if (j == 2) {
				returnString = returnString + " ";
				j = 0;
			}
			j++;
			if (z == (numberPerRow * 2)) {
				returnString = returnString + "\n";
				z = 0;
			}
		}
		return returnString;
	}
}