Java 中的去中心化身份（DID）与可验证凭证（VC）实现
大家好，今天我们来探讨如何在 Java 环境中实现去中心化身份（DID）和可验证凭证（VC）。这是一个快速发展的领域，对于构建更安全、更可信的数字身份至关重要。我们将从 DID 和 VC 的基本概念开始，然后深入研究如何在 Java 中使用一些流行的库和技术来实现它们。
1. 去中心化身份 (DID) 的概念与优势
去中心化身份 (Decentralized Identifiers, DIDs) 是一种新型的标识符，旨在实现完全用户控制的身份。与传统的身份系统（如依赖中心化机构颁发的用户名和密码）不同，DID 不依赖于任何中心化的注册机构。DID 由用户自己拥有和控制，存储在分布式账本或去中心化网络上。
1.1 DID 的基本结构
一个 DID 通常由以下几部分组成：
did:: DID 方案标识符，表明这是一个 DID。method:: DID 方法，定义了 DID 的创建、解析和更新规则。例如，did:key、did:web、did:ethr等。method-specific-id:: 特定于该方法的唯一标识符。
例如，一个 did:key 的 DID 可能是这样的：did:key:z6MkmTBzK7JEbKPWx3T67bH24KkG4x9j8h8zCg26c4eS8
1.2 DID 的优势
- 用户控制: 用户完全控制自己的身份数据。
- 隐私保护: 用户可以选择性地披露身份信息，最小化数据泄露的风险。
- 互操作性: DID 旨在跨不同的系统和平台工作。
- 抗审查性: 由于没有中心化的控制点，DID 更难以被审查或禁用。
2. 可验证凭证 (VC) 的概念与优势
可验证凭证 (Verifiable Credentials, VCs) 是一种标准化的数字凭证格式，用于以安全和可验证的方式声明关于某个主题（例如，个人、组织或事物）的属性。 VC 类似于传统的物理凭证（如驾驶执照或大学文凭），但它们是数字化的，并且可以加密验证。
2.1 VC 的基本结构
一个 VC 通常包含以下字段：
@context: JSON-LD 上下文，定义了凭证中使用的术语和词汇表。type: 凭证类型，例如VerifiableCredential、UniversityDegreeCredential。issuer: 颁发凭证的实体的 DID。issuanceDate: 凭证的颁发日期。credentialSubject: 关于凭证主题的声明。proof: 密码学证明，证明凭证的真实性和完整性。
例如：
{
"@context": [
"https://www.w3.org/2018/credentials/v1",
"https://example.org/university/v1"
],
"type": ["VerifiableCredential", "UniversityDegreeCredential"],
"issuer": "did:example:123456789abcdefghi",
"issuanceDate": "2023-10-27T12:00:00Z",
"credentialSubject": {
"id": "did:example:jklmnopqrstuvwxyz",
"name": "Alice Smith",
"degree": {
"type": "BachelorDegree",
"name": "Computer Science"
}
},
"proof": {
"type": "Ed25519Signature2018",
"created": "2023-10-27T12:00:00Z",
"jws": "eyJhbGciOiJFZERTQSIsImI2NCI6ZmFsc2UsImNyaXQiOlsiYjY0Il19..sig",
"proofPurpose": "assertionMethod",
"verificationMethod": "did:example:123456789abcdefghi#keys-1"
}
}2.2 VC 的优势
- 可验证性: 使用密码学技术确保凭证的真实性和完整性。
- 互操作性: 标准化的格式允许 VC 在不同的系统和平台之间共享。
- 隐私保护: 用户可以选择性地呈现 VC 的部分信息，而不是全部信息。
- 无需信任中介: 验证者可以直接验证凭证，而无需信任凭证的颁发者。
3. 在 Java 中实现 DID 和 VC 的技术选型
在 Java 中实现 DID 和 VC，我们需要选择合适的库和技术。以下是一些常用的选择：
-
DID 库:
- DIDComm Java: 提供 DIDComm 协议的实现，用于安全地通信和交换数据。
- Web3j: 用于与 Ethereum 区块链交互，可以用于
did:ethr方法。 - 自定义实现: 可以根据特定的 DID 方法，编写自定义的 Java 代码。
-
VC 库:
- Verifiable Credentials Data Model (W3C Recommendation): 虽然这不是一个Java库，但是它是VC的基础标准。理解这个标准对于任何VC的Java实现都是至关重要的。
- Custom Implementation: 目前没有非常成熟的 Java VC 库，所以通常需要根据 W3C VC Data Model 编写自定义的 Java 代码来创建、签名和验证 VC。
-
密码学库:
- Bouncy Castle: 提供各种密码学算法和协议的实现，用于签名和验证 VC。
- Java Cryptography Extension (JCE): Java 标准库提供的密码学 API。
-
JSON-LD 库:
- jsonld-java: 用于处理 JSON-LD 数据，这是 VC 的基础数据格式。
4. 使用 Java 创建和解析 DID (以 did:key 为例)
did:key 方法是一种简单且常用的 DID 方法，它使用公钥作为 DID 的标识符。以下是一个创建和解析 did:key 的 Java 代码示例：
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.edec.EdDSAPrivateKey;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.edec.EdDSAPublicKey;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.*;
import java.security.spec.EdECPrivateKeySpec;
import java.security.spec.EdECPublicKeySpec;
import java.util.Base64;
public class DidKeyExample {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
// 1. 生成 Ed25519 密钥对
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("Ed25519", "BC");
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
EdDSAPublicKey publicKey = (EdDSAPublicKey) keyPair.getPublic();
EdDSAPrivateKey privateKey = (EdDSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
// 2. 从公钥创建 DID
String did = createDidKey(publicKey);
System.out.println("DID: " + did);
// 3. 从 DID 解析公钥 (示例)
EdDSAPublicKey resolvedPublicKey = resolveDidKey(did);
// 验证解析后的公钥是否与原始公钥相同。
if (publicKey.equals(resolvedPublicKey)){
System.out.println("Successfully resolved the DID and the public keys match!");
} else {
System.out.println("Error: The resolved public key does not match the original!");
}
}
// 创建 did:key
public static String createDidKey(EdDSAPublicKey publicKey) {
byte[] publicKeyBytes = publicKey.getEncoded();
String base58EncodedPublicKey = Base58.encode(publicKeyBytes); // 使用 Base58 编码
return "did:key:z" + base58EncodedPublicKey; // 'z' 前缀表示 Multibase Base58
}
// 从 did:key 解析公钥
public static EdDSAPublicKey resolveDidKey(String did) throws Exception {
if (!did.startsWith("did:key:z")) {
throw new IllegalArgumentException("Invalid did:key format");
}
String base58EncodedPublicKey = did.substring(10); // 去掉 "did:key:z" 前缀
byte[] publicKeyBytes = Base58.decode(base58EncodedPublicKey);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("Ed25519", "BC");
EdECPublicKeySpec pubKeySpec = new EdECPublicKeySpec(publicKeyBytes, EdDSAPublicKey.ED_25519);
return (EdDSAPublicKey) keyFactory.generatePublic(pubKeySpec);
}
// Base58 编码/解码工具类 (需要引入相关依赖，例如：org.bitcoinj:bitcoinj-core:0.16.1)
// 为了简洁，这里提供一个简化的 Base58 实现，但是不建议在生产环境中使用
static class Base58 {
private static final char[] ALPHABET = "123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz".toCharArray();
private static final int[] INDEXES = new int[128];
static {
for (int i = 0; i < INDEXES.length; i++) {
INDEXES[i] = -1;
}
for (int i = 0; i < ALPHABET.length; i++) {
INDEXES[ALPHABET[i]] = i;
}
}
public static String encode(byte[] input) {
if (input.length == 0) {
return "";
}
// Count leading zeros.
int zeros = 0;
while (zeros < input.length && input[zeros] == 0) {
++zeros;
}
// Convert base-256 digits to base-58 digits (plus conversion from
// little-endian to big-endian digits).
byte[] modifiedInput = java.util.Arrays.copyOf(input, input.length);
StringBuilder result = new StringBuilder();
int inputLength = modifiedInput.length;
while (inputLength != 0) {
int remainder = 0;
for (int i = 0; i < inputLength; ++i) {
int digit256 = (int) (modifiedInput[i] & 0xFF);
int temp = digit256 + remainder * 256;
modifiedInput[i] = (byte) (temp / 58);
remainder = temp % 58;
}
if (modifiedInput[0] == 0) {
int j;
for (j = 0; j < inputLength && modifiedInput[j] == 0; j++) {
// Do nothing
}
inputLength -= j;
if (inputLength == 0) {
break;
}
}
result.append(ALPHABET[remainder]);
}
// Append leading zeros
for (int i = 0; i < zeros; i++) {
result.append(ALPHABET[0]);
}
return result.reverse().toString();
}
public static byte[] decode(String input) {
if (input.length() == 0) {
return new byte[0];
}
byte[] input58 = new byte[input.length()];
// Transform the String to a base58 byte sequence
for (int i = 0; i < input.length(); ++i) {
char c = input.charAt(i);
int digit58 = -1;
if (c < 128) {
digit58 = INDEXES[c];
}
if (digit58 < 0) {
throw new IllegalArgumentException("Illegal character " + c + " at position " + i);
}
input58[i] = (byte) digit58;
}
// Count leading zeros
int zeros = 0;
while (zeros < input58.length && input58[zeros] == 0) {
++zeros;
}
// Convert base-58 digits to base-256 digits.
byte[] modifiedInput = java.util.Arrays.copyOf(input58, input58.length);
int inputLength = modifiedInput.length;
byte[] result = new byte[256]; // Maximum possible result length.
int resultLength = 0;
while (inputLength != 0) {
int carry = 0;
for (int j = 0; j < inputLength; ++j) {
int digit58 = (int) (modifiedInput[j] & 0xFF);
int temp = digit58 + carry * 58;
modifiedInput[j] = (byte) (temp / 256);
carry = temp % 256;
}
if (modifiedInput[0] == 0) {
int j;
for (j = 0; j < inputLength && modifiedInput[j] == 0; j++) {
// Do nothing
}
inputLength -= j;
if (inputLength == 0) {
break;
}
}
result[resultLength++] = (byte) carry;
}
// Append leading zeros
byte[] output = new byte[resultLength + zeros];
for (int i = 0; i < zeros; i++) {
output[i] = 0;
}
System.arraycopy(result, 0, output, zeros, resultLength);
return output;
}
}
}代码解释：
- 生成 Ed25519 密钥对： 使用 Bouncy Castle 库生成 Ed25519 密钥对。Ed25519 是一种常用的椭圆曲线签名算法，适合用于 DID 和 VC。
- 从公钥创建 DID：
createDidKey方法将公钥进行 Base58 编码，然后添加did:key:z前缀，生成 DID。z前缀表示 Multibase Base58 编码。 - 从 DID 解析公钥：
resolveDidKey方法从 DID 中提取 Base58 编码的公钥，进行解码，然后使用 KeyFactory 创建 EdDSAPublicKey 对象。 - Base58 编码/解码： 示例代码包含了一个简化的 Base58 编码/解码实现。请注意，在生产环境中，建议使用成熟的 Base58 库，例如
org.bitcoinj:bitcoinj-core。 这里为了避免引入额外的依赖，提供了一个简化的实现。
5. 使用 Java 创建和验证 VC (以 Ed25519 签名为例)
以下是一个创建和验证 VC 的 Java 代码示例：
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.edec.EdDSAPrivateKey;
import org.bouncycastle.jcajce.provider.asymmetric.edec.EdDSAPublicKey;
import org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider;
import java.security.*;
import java.security.spec.EdECPrivateKeySpec;
import java.security.spec.EdECPublicKeySpec;
import java.time.Instant;
import java.util.Base64;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class VcExample {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
// 1. 生成 Ed25519 密钥对
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("Ed25519", "BC");
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
EdDSAPublicKey publicKey = (EdDSAPublicKey) keyPair.getPublic();
EdDSAPrivateKey privateKey = (EdDSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
// 2. 创建 VC
Map<String, Object> credentialSubject = new HashMap<>();
credentialSubject.put("id", "did:example:jklmnopqrstuvwxyz");
credentialSubject.put("name", "Alice Smith");
credentialSubject.put("degree", Map.of("type", "BachelorDegree", "name", "Computer Science"));
String vc = createVerifiableCredential(
"did:example:123456789abcdefghi", // issuer DID
credentialSubject,
privateKey
);
System.out.println("Verifiable Credential: " + vc);
// 3. 验证 VC
boolean isValid = verifyVerifiableCredential(vc, publicKey);
System.out.println("Is Verifiable Credential valid? " + isValid);
}
public static String createVerifiableCredential(String issuerDid, Map<String, Object> credentialSubject, PrivateKey privateKey) throws Exception {
ObjectMapper objectMapper = new ObjectMapper();
Map<String, Object> vc = new HashMap<>();
vc.put("@context", new String[]{"https://www.w3.org/2018/credentials/v1", "https://example.org/university/v1"});
vc.put("type", new String[]{"VerifiableCredential", "UniversityDegreeCredential"});
vc.put("issuer", issuerDid);
vc.put("issuanceDate", Instant.now().toString());
vc.put("credentialSubject", credentialSubject);
// 创建要签名的消息
String dataToSign = objectMapper.writeValueAsString(vc);
// 使用私钥对消息进行签名
Signature signature = Signature.getInstance("Ed25519", "BC");
signature.initSign(privateKey);
signature.update(dataToSign.getBytes("UTF-8"));
byte[] signatureBytes = signature.sign();
String jws = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(signatureBytes);
// 创建 proof 对象
Map<String, Object> proof = new HashMap<>();
proof.put("type", "Ed25519Signature2018");
proof.put("created", Instant.now().toString());
proof.put("jws", jws);
proof.put("proofPurpose", "assertionMethod");
proof.put("verificationMethod", issuerDid + "#keys-1"); // 假设 issuer DID 文档中定义了 keys-1
vc.put("proof", proof);
return objectMapper.writeValueAsString(vc);
}
public static boolean verifyVerifiableCredential(String vcJson, PublicKey publicKey) throws Exception {
ObjectMapper objectMapper = new ObjectMapper();
Map<String, Object> vc = objectMapper.readValue(vcJson, Map.class);
// 获取 proof 对象
Map<String, Object> proof = (Map<String, Object>) vc.get("proof");
String jws = (String) proof.get("jws");
// 移除 proof 对象，因为签名是在没有 proof 的情况下生成的
vc.remove("proof");
// 获取要验证的消息
String dataToVerify = objectMapper.writeValueAsString(vc);
// 使用公钥验证签名
Signature signature = Signature.getInstance("Ed25519", "BC");
signature.initVerify(publicKey);
signature.update(dataToVerify.getBytes("UTF-8"));
byte[] signatureBytes = Base64.getUrlDecoder().decode(jws);
return signature.verify(signatureBytes);
}
}代码解释：
- 生成 Ed25519 密钥对： 与 DID 示例相同，使用 Bouncy Castle 库生成 Ed25519 密钥对。
- 创建 VC：
createVerifiableCredential方法接收 issuer DID、credentialSubject 和私钥作为参数。- 创建一个包含 VC 数据的 Map，包括
@context、type、issuer、issuanceDate和credentialSubject。 - 使用 Jackson 库将 VC 数据序列化为 JSON 字符串。
- 使用私钥对 JSON 字符串进行签名，生成 JWS (JSON Web Signature)。
- 创建一个包含签名信息的
proof对象，包括type、created、jws、proofPurpose和verificationMethod。 - 将
proof对象添加到 VC 数据中。 - 将完整的 VC 数据序列化为 JSON 字符串并返回。
- 验证 VC：
verifyVerifiableCredential方法接收 VC JSON 字符串和公钥作为参数。- 使用 Jackson 库将 VC JSON 字符串反序列化为 Map。
- 从 VC 数据中提取
proof对象和 JWS。 - 重要： 在验证签名之前，需要从 VC 数据中移除
proof对象，因为签名是在没有proof的情况下生成的。 - 使用公钥验证 JWS 是否与 VC 数据的签名匹配。
6. 安全考虑
在实现 DID 和 VC 时，需要考虑以下安全问题：
- 密钥管理： 安全地存储和管理私钥至关重要。 可以使用硬件安全模块 (HSM) 或安全元件 (SE) 来保护私钥。
- 密钥轮换： 定期轮换密钥可以降低密钥泄露的风险。
- DID 文档： DID 文档包含了与 DID 相关的元数据，例如公钥和验证方法。 确保 DID 文档的完整性和可用性。
- 凭证吊销： 需要一种机制来吊销已颁发的 VC，例如使用撤销列表或状态列表。
- 重放攻击： 防止重放攻击，例如使用时间戳或 nonce。
7. 总结: 理解 DID/VC 的Java实现
我们探讨了在 Java 中实现 DID 和 VC 的基本概念和技术。 通过代码示例，我们了解了如何创建和解析 DID 以及如何创建和验证 VC。 最后，我们强调了在实现 DID 和 VC 时需要考虑的安全问题。 希望这些信息能帮助你构建更安全、更可信的数字身份系统。