一、实验目标

• 理解数字签名“哈希 + 私钥加密”的技术本质，掌握“私钥签名、公钥验签”的密钥用法
• 通过完整操作流程验证数字签名的三大作用：身份认证、防篡改、不可抵赖
• 在 openEuler 24.03 环境中完成从密钥生成到签名验证的全流程实践
• 通过“赖账失败”与“篡改被抓”两个剧情化场景，体会数字签名的法律效力来源

• 实验环境

项目	说明
实验名称	"欠条"电子签名：数字签名与抵赖难题
实验平台	天枢一体化虚拟仿真平台
终端环境	openEuler 24.03 LTS
核心命令	sha256sum、md5sum、sqlite3、bash 脚本
工具	OpenSSL 3.x（openEuler 24.03 默认安装，可通过 rpm -qa openssl 确认版本）
角色设定	借款人“小李”、出借人“老王”、想赖账的小李、捣乱的黑客
实验文件	电子欠条文本 iou.txt、小李的 RSA 密钥对（li_private.pem / li_public.pem）

三、实验步骤

第一步：环境准备与欠条创建

操作：创建实验目录并写入电子欠条。

mkdir -p /home/student/signature_lab

cd /home/student/signature_lab

cat > iou.txt << 'EOF' 今借到老王5000元，2026年底归还。 借款人：小李 日期：2026年9月16日 EOF

cat iou.txt

预期输出：终端显示欠条全文。

知识点：欠条文本将成为数字签名的“原文”，后续所有签名验证操作均针对该文件的完整内容。

第二步：生成小李的 RSA 密钥对

操作：使用 OpenSSL 生成 2048 位 RSA 密钥对，并从私钥中提取公钥。

# 生成私钥（2048位，RSA算法）

Openssl genpkey -algorithm RSA -out li_private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

# 从私钥提取公钥

openssl rsa -in li_private.pem -pubout -out li_public.pem

参考 OpenSSL 标准用法，genpkey 指定 RSA 算法和密钥长度，rsa -pubout 从私钥中导出公钥。

验证密钥生成结果：

# 查看私钥信息（不显示私钥内容）

openssl rsa -in li_private.pem -text -noout | head -5

# 查看公钥内容

cat li_public.pem

预期输出：私钥显示 Private-Key: (2048 bit)，公钥以 -----BEGIN PUBLIC KEY----- 开头。

关键理解：私钥由小李保管（不对外公开），公钥可安全地交给老王。这是“不可抵赖”的物理基础——只有小李持有私钥，因此只有小李能生成有效签名。

第三步：小李用私钥对欠条进行数字签名

操作：使用 SHA-256 哈希算法和 RSA 私钥对欠条文件进行签名。

openssl dgst -sha256 -sign li_private.pem -out iou.sig iou.txt

该命令执行了数字签名的完整过程：先对 iou.txt 计算 SHA-256 哈希值，再用 li_private.pem 中的私钥加密该哈希值，输出为二进制签名文件 iou.sig。这正是数字签名“哈希 + 私钥加密”的技术本质。

验证签名文件已生成：

ls -la iou.sig

# 查看签名文件的十六进制摘要

od -v -An -t x1 iou.sig | head -2

预期输出：iou.sig 文件存在，大小为 256 字节（2048 位 RSA 签名的输出长度）。十六进制内容为随机字节序列，不可直接阅读。

知识点——签名与加密的密钥用法对比：

操作	使用的密钥	目的
加密	公钥加密，私钥解密	保证保密性
签名	私钥签名，公钥验签	保证真实性、完整性和不可抵赖性

这是思考题①的答案核心：两者密钥用法正好相反，不会混淆，因为操作目的和密钥持有者角色不同。

第四步：老王用小李的公钥验证签名（身份确认）

操作：老王收到欠条和签名后，使用小李的公钥进行验签。

openssl dgst -sha256 -verify li_public.pem -signature iou.sig iou.txt

验证过程：OpenSSL 对 iou.txt 重新计算 SHA-256 哈希值，然后用公钥解密签名文件，比较两个哈希值是否一致。如果一致，输出 Verified OK。

预期输出：

Verified OK

验证意义：老王可以确认三件事：（1）签名确实由持有小李私钥的人生成（身份认证）；（2）欠条内容与签名时完全一致（完整性）；（3）小李无法否认自己签过这份欠条（不可抵赖）。

第五步：赖账失败——不可抵赖性验证

剧情：小李事后声称“这个签名不是我做的，我的私钥从来没有签过这份欠条”。

操作：模拟小李试图用其他人的私钥生成一个“假签名”，看老王能否识破。

# 模拟：生成另一对密钥（代表冒充者）

openssl genpkey -algorithm RSA -out fake_private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

openssl rsa -in fake_private.pem -pubout -out fake_public.pem

# 用假私钥对同一份欠条签名

openssl dgst -sha256 -sign fake_private.pem -out fake.sig iou.txt

# 老王尝试用小李的公钥验证假签名

openssl dgst -sha256 -verify li_public.pem -signature fake.sig iou.txt

预期输出：

Verification Failure

分析：假签名是用不同的私钥生成的，对应的公钥与小李的公钥不匹配，因此验证失败。这证明了不可抵赖性——只有小李的私钥才能生成通过小李公钥验证的签名，小李无法用“别人冒充我”为借口逃避责任。数字签名的可验证性和防假冒特性在此得到验证。

第六步：篡改被抓——防篡改验证

剧情：小李偷偷修改欠条金额，将“5000 元”改为“500 元”，试图减少还款金额。

操作：篡改欠条内容，然后用原有的签名文件进行验证。

# 篡改前先记录原始内容

cat iou.txt

# 小李篡改欠条金额

sed -i 's/5000元/500元/' iou.txt echo "=== 篡改后的欠条 ==="

cat iou.txt

# 老王用小李的公钥验证（使用篡改前的签名）

openssl dgst -sha256 -verify li_public.pem -signature iou.sig iou.txt

预期输出：

Verification Failure

分析：欠条内容被修改后，SHA-256 哈希值发生根本性变化。即使签名文件 iou.sig 没有被修改，公钥解密签名得到的原始哈希值与篡改后文件的哈希值不一致，验证必然失败。这就是防篡改特性——签名与原文内容严格绑定，任何改动都会导致签名失效。

第七步：使用国密 SM2 算法验证签名

openEuler  在开源版本基础上增加了对 SM2/SM3 算法的签名与验签支持。使用国密算法重复上述流程，对比 RSA 与 SM2 的差异。

# 生成SM2密钥对

openssl ecparam -genkey -name SM2 -out sm2_private.pem

# 提取SM2公钥

openssl ec -in sm2_private.pem -pubout -out sm2_public.pem

# 用SM2私钥 + SM3哈希对欠条签名

openssl dgst -sm3 -sign sm2_private.pem -out iou_sm2.sig iou.txt

# 用SM2公钥验签

openssl dgst -sm3 -verify sm2_public.pem -signature iou_sm2.sig iou.txt

预期输出：Verified OK

openEuler 官方文档确认 OpenSSL 已支持 SM2 算法的签名验证功能。SM2 基于椭圆曲线密码学，相比 RSA 在相同安全强度下密钥更短、运算更快。

四、密钥用法对比总结

本实验的两个核心操作对比如下：

维度	加密操作	签名操作
发送方使用	接收方公钥加密	发送方私钥签名
接收方使用	接收方私钥解密	发送方公钥验签
核心目的	保密性（防窃听）	真实性 + 完整性 + 不可抵赖
密钥流向	公钥加密 → 私钥解密	私钥签名 → 公钥验签

通过执行上述步骤，能够从操作层面牢固掌握“私钥签名、公钥验签”的密钥用法，并通过“赖账失败”和“篡改被抓”两个剧情深刻理解数字签名的法律效力来源。