对文件采用不同数字签名算法生成签名

一、项目需求

功能框架图如图所示：

（1）初始化获得公钥和私钥

（2）利用公钥进行签名

（3）利用私钥进行验证

（4）MD5算法

二、数据结构及算法设计

1.主要数据结构

int pow_mod(int a, int b, int p) {
    int ans = 1;
    int tmp = a % p;
    while (b) {
        if (b & 1)
            ans = ans * tmp % p;
        b >>= 1;
        tmp = tmp * tmp % p;
    }
    return ans % p;
}

2.主要算法流程

（1）文件签名

1、获取文件路径

2、打开文件，获取文件内容，进行MD5加密

3、获取公钥和模数

4、对MD5加密后的哈希值进行基于RSA算法的签名

5、输出签名

（2）签名认证

1、选择文件

2、获取文件路径

3、对文件内容进行MD5加密

4、获取私钥、模数

5、获取签名

6、用私钥和哈希值进行签名认证

7、输出认证结果

三、原码

//文件 main.cpp
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <windows.h>
#include <ShlObj.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <atlstr.h>
#include <exception>
#include "MD5.h"

using namespace std;
//n方求余
int pow_mod(int a, int b, int p) {
    int ans = 1;
    int tmp = a % p;
    while (b) {
        if (b & 1)
            ans = ans * tmp % p;
        b >>= 1;
        tmp = tmp * tmp % p;
    }
    return ans % p;
}

/*个人认为是全部代码中最核心的功能部分，这个函数用于计算数字的乘方模余，并且避免了数字过大的问题。首先，会对乘方根进行求余计算一次，接着便会带入WHILE循环进行循环求余，并每次把乘方数右移两位运算符，通过对未完全乘方的结果进行求余，使得结果不会过超出计算机的运算范围，并能更加快地得出结果。*/

//互质验证
int mgcd(int a, int b)
{
    int t;
    if (a < b) {
        t = a; a = b; b = t;
    }
    while (a % b) {
        t = b;
        b = a % b;
        a = t;
    }
    return b;
}

/*由于要求公钥e和私钥d的最大公因数只能为一，因此设计了这个函数。利用的原理是辗转相除法，最后会把最大的公因数结果带回函数。*/

//字母转换
int tran(char* a) {
    int i, num = 0;
    for (i = 0; i < 2; i++) {
        if (a[i]<'G' && a[i]>'A' || a[i] == 'A') {
            num = num * 100 + a[i] - 55;
        }
        else {
            num = num * 10 + a[i] - 48;
        }
    }
    return num;
}

/*由于MD5值是16进制，且输入的是字符串类型，在计算上难以使用，因此需要将A到F转换成相应的数字进行计算。我根据ASCII码值减去48和55来得到相应的数字。*/

int tran1(char* a,int max) {
    int i, num = 0;
    for (i = 0; i <max; i++) {
        if (a[i]<'G' && a[i]>'A' || a[i] == 'A') {
            num = num * 100 + a[i] - 55;
        }
        else {
            num = num * 10 + a[i] - 48;
        }
    }
    return num;
}

//由于签名的分组未知，需要知道间隔，因此单独书写了一个函数

//签名分组
void ded(char* MD5_NAME, int* num) {
    int i, k;
    char cha[16][10];
    for (i = 0, k = 0; i < 32; i = i + 2, k++) {
        strncpy_s(cha[k], MD5_NAME + i, 2);
    }
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        num[i] = tran(cha[i]);
    }
}

/*考虑到MD5值转换成数字后过大无法用于计算，因此我将他们分成了一个随机等分大小的数组元素，再分别实行签名。*/

void ded1(char* MD5_NAME, int* num,int max) {
    int i, k;
    char cha[16][10];
    //printf("INPUT:%s\n", MD5_NAME);
    for (i = 0, k = 0; i < 16*max; i = i + max, k++) {
        strncpy_s(cha[k], MD5_NAME + i, max);
        //printf("cha:%s \n", cha[k]);
    }
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        num[i] = tran1(cha[i],max);
        //printf("num:%d\n", num[i]);
    }
}

//同理，因为签名无法识别分组，因此需要单另提交间隔

//最大
int length(int en) {
    int i, max=0;
    while (en != 0) {
        printf("en:%d\n", en);
        en = en / 10;
        max++;
    }
    return max;
}

//这个函数是用于计算数组元素单个结果的最长位数，用于之后的分组

//签名
void sign(char* MD5_NAME, int* en, int* num, int e, int n) {
    int i,max,t;
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        en[i] = pow_mod(num[i], e, n);
    }
    max = length(en[0]);
    for (i = 1; i < 16; i++) {
        t = length(en[i]);
        if (max < t)
            max = t;
    }
    printf("数字签名:\n");
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        printf("%0*d",max, en[i]);
    }
    printf("\n");
}

    /*这个函数是签名算法的实现，具体流程就是将输入的转化后的MD5值数组进行乘方求模运算，然后根据求出的最大位数输出以最大位数为打印单位，不足填充零的签名结果*/

//MD5加密
void MD5_CREATE(char* MD5_NAME) {
    char tmpstr[256], buf0[10], buf1[10], buf2[10], buf3[10], tmp[33],*data;
    FILE* fp;
    int length;

    printf("请输入加密文件路径:\n");
    cin >> tmpstr;    
    fopen_s(&fp, tmpstr, "r");
    while (fp==NULL){
        printf("输入错误，请重新输入\n");
        cin >> tmpstr;
        fopen_s(&fp, tmpstr, "r");
    }
    fseek(fp, 0, SEEK_END);
    length = ftell(fp);
    data = (char*)malloc((length + 1) * sizeof(char));
    rewind(fp);
    length = fread(data, 1, length, fp);
    data[length] = '\0';
    fclose(fp);

    //MD5加密
    unsigned int* tmpGroup = MD5(data);
    sprintf_s(buf0, "%08X", tmpGroup[0]);
    sprintf_s(buf1, "%08X", tmpGroup[3]);
    sprintf_s(buf2, "%08X", tmpGroup[2]);
    sprintf_s(buf3, "%08X", tmpGroup[1]);
    sprintf_s(tmp, "%s%s%s%s", buf0, buf1, buf2, buf3);
    strcpy_s(MD5_NAME, 33, tmp);
}

    MD5加密函数是用于把文件内容提取后放入DATA字符串，接着再放入MD5函数中进行加密。由于文件内容长度不一，因此需要使用DATA动态数组进行装载
//认证
void veri(int e,int n) {
    char buf0[10], buf1[10], buf2[10], buf3[10], tmp[33], path[256], input[256],*data;
    int en[16],de[16],t[16],i,flag=0,length,max;
    FILE* fp;

    OPENFILENAME open;// 公共对话框结构。
    char file[MAX_PATH];// 用来保存获取文件名称的缓冲区。 
    printf("开始验证，请选择文件\n");
    ZeroMemory(&open, sizeof(OPENFILENAME)); // 初始化选择文件对话框
    open.lStructSize = sizeof(OPENFILENAME);//指定这个结构的大小，以字节为单位。
    open.lpstrFile = file;//打开的文件的全路径
    open.lpstrFile[0] = '\0'; //第一个字符串是过滤器描述的显示字符串
    open.nMaxFile = MAX_PATH;  //指定lpstrFile缓冲的大小，以TCHARs为单位
    open.lpstrFilter = "文本文件(*.txt)\0*.txt\0所有文件(*.*)\0*.*\0\0";  //打开文件类型
    open.nFilterIndex = 1;  //指定在文件类型控件中当前选择的过滤器的索引
    open.lpstrFileTitle = NULL; // 指向接收选择的文件的文件名和扩展名的缓冲（不带路径信息）。这个成员可以是NULL。
    open.nMaxFileTitle = 0;  //指定lpstrFileTitle缓冲的大小，以TCHARs为单位
    open.lpstrInitialDir = NULL;  //指向以空字符结束的字符串，可以在这个字符串中指定初始目录。
    open.Flags = OFN_EXPLORER | OFN_PATHMUSTEXIST | OFN_FILEMUSTEXIST;//位标记的设置，你可以使用来初始化对话框
    //GetOpenFileName (&open) ;//打开文件对话框
    //GetSaveFileName(&open);//保存文件对话框
    if (GetOpenFileName(&open)){ // 显示打开选择文件对话框。 
        strcpy_s(path, 256, file);
        printf("文件路径：%s", path);
    }

    //获取内容
    fopen_s(&fp, path, "r");
    if (fp == NULL) {
        printf("输入错误，请重新选择");
        ZeroMemory(&open, sizeof(OPENFILENAME)); // 初始化选择文件对话框
        open.lStructSize = sizeof(OPENFILENAME);//指定这个结构的大小，以字节为单位。
        open.lpstrFile = file;//打开的文件的全路径
        open.lpstrFile[0] = '\0'; //第一个字符串是过滤器描述的显示字符串
        open.nMaxFile = MAX_PATH;  //指定lpstrFile缓冲的大小，以TCHARs为单位
        open.lpstrFilter = "文本文件(*.txt)\0*.txt\0所有文件(*.*)\0*.*\0\0";  //打开文件类型
        open.nFilterIndex = 1;  //指定在文件类型控件中当前选择的过滤器的索引
        open.lpstrFileTitle = NULL; // 指向接收选择的文件的文件名和扩展名的缓冲（不带路径信息）。这个成员可以是NULL。
        open.nMaxFileTitle = 0;  //指定lpstrFileTitle缓冲的大小，以TCHARs为单位
        open.lpstrInitialDir = NULL;  //指向以空字符结束的字符串，可以在这个字符串中指定初始目录。
        open.Flags = OFN_EXPLORER | OFN_PATHMUSTEXIST | OFN_FILEMUSTEXIST;//位标记的设置，你可以使用来初始化对话框
        //GetOpenFileName (&open) ;//打开文件对话框
        //GetSaveFileName(&open);//保存文件对话框
        if (GetOpenFileName(&open)) { // 显示打开选择文件对话框。 
            strcpy_s(path, 256, file);
            printf("文件路径：%s", path);
        }
    }
    fseek(fp, 0, SEEK_END);
    length = ftell(fp);
    data = (char*)malloc((length + 1) * sizeof(char));
    rewind(fp);
    length = fread(data, 1, length, fp);
    data[length] = '\0';
    fclose(fp);

    printf("\n请输入数字签名：\n");
    cin >> input;

    //MD5加密
    unsigned int* tmpGroup = MD5(data);
    sprintf_s(buf0, "%08X", tmpGroup[0]);
    sprintf_s(buf1, "%08X", tmpGroup[3]);
    sprintf_s(buf2, "%08X", tmpGroup[2]);
    sprintf_s(buf3, "%08X", tmpGroup[1]);
    sprintf_s(tmp, "%s%s%s%s", buf0, buf1, buf2, buf3);

    for (max = 1; max < strlen(input)+1; max++) {
        //printf("%d\n",strlen(input));
        //printf("max:%d\n", max);
        flag = 1;
        //分组
        ded(tmp, de);
        ded1(input, en, max);
        //判断
        for (i = 0; i < 16; i++) {
            t[i] = de[i] % n;
            //printf("de[i]:%d  en[i]:%d\n", de[i], en[i]);
            if (t[i] != pow_mod(en[i], e, n))
                flag = 0;
                break;//跳出验证
        }
        if (flag != 1) {
            continue;//max++
        }
        else {
            printf("认证合法\n");
            break;//跳出MAX
        }
    }
    if (flag == 0) {
        printf("认证不合法\n");
    }
}

   /* 认证函数首先会调取WINDOWS窗口让操作者选择需要验证的文件，接着函数将调用MD5加密函数进行加密并将结果分组保存。接着函数会要求操作者输入私钥、模数以及签名，再对签名进行整型转化，然后分组。最后，会用H(m) mod n== c^d mod n来验证用户输入签名和文件签名是否相同

    主函数的功能大多数都被分封到了其他函数中，只剩下图形化美化以及部分初始化数据的输入是在主函数中进行*/

int main()
{
    int  e,p,q,n,o,d=1,select;
    char MD5_NAME[33];
    int en[16], de[16];

    while (1) {
        printf("########################################################################################################################\n");
        printf("请选择功能：\n0:密钥初始化    1:文件签名    2:签名认证    3:退出\n");
        scanf_s("%d", &select);
        if (select == 0) {
            //大素数p,q
            printf("请输入素数p,注意保密销毁:\n");
            scanf_s("%d", &p);
            printf("请输入素数q,注意保密销毁:\n");
            scanf_s("%d", &q);

            //模余数
            n = p * q;
            o = (p - 1) * (q - 1);

            //私钥并验证
            printf("请输入公钥e:\n");
            scanf_s("%d", &e);
            while (mgcd(e, o) != 1) {
                printf("私钥不符合要求，请重新输入与（p-1)(q-1)互质的数\n");
                scanf_s("%d", &e);
            }
            //求D
            while ((d * e) % o != 1) {
                d++;
            }
            printf("接收方的公钥为:(n:%d,e:%d)\n您的私钥为d:%d\n", n, e, d);
            printf("########################################################################################################################\n");
            printf("1：返回    其他：退出\n");
            scanf_s("%d", &select);
            if (select == 1) {
                system("cls");
            }
            else {
                exit(1);
            }
        }
        else if (select == 1) {
            MD5_CREATE(MD5_NAME);
            printf("MD5:\n%s\n", MD5_NAME);
            printf("########################################################################################################################\n");
            
            printf("请输入公钥e:\n");
            scanf_s("%d",&e);
            printf("请输入模数n：\n");
            scanf_s("%d", &n);

            //预准备
            ded(MD5_NAME, de);
            //签名
            sign(MD5_NAME, en, de, e, n);
            printf("########################################################################################################################\n");
            printf("1：返回    其他：退出\n");
            scanf_s("%d", &select);
            if (select == 1) {
                system("cls");
            }
            else {
                exit(1);
            }
        }
        else if (select == 2) {

            //私钥并验证
            printf("请输入私钥d:\n");
            scanf_s("%d", &d);
            printf("请输入模数n:\n");
            scanf_s("%d", &n);
            veri(d, n);
            printf("########################################################################################################################\n");
            printf("1：返回    其他：退出\n");
            scanf_s("%d", &select);
            if (select == 1) {
                system("cls");
            }
            else{
                exit(1);
            }
        }
        else if (select == 3) {
            exit(1);
        }
        else {
            system("cls");
        }
    }
    
    getchar();
    return 0;
}