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詳解Java數(shù)字簽名提供XML安全

 更新時(shí)間：2018年08月22日 08:49:29   作者：weistar  
在本篇文章中我們給大家整理了關(guān)于Java數(shù)字簽名提供XML安全的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，有需要的朋友們可以學(xué)習(xí)下。

用Java數(shù)字簽名提供XML安全

眾所周知，XML在產(chǎn)品和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中起著非常重要的作用。通過(guò)XML文檔可以獲取很多信息，還可以使用XML文件進(jìn)行CRUD（增加、查詢、更新和 刪除）操作。然而值得注意的是，我們?nèi)绾未_保XML中的數(shù)據(jù)是來(lái)自經(jīng)過(guò)認(rèn)證的可信和可靠的來(lái)源。關(guān)于XML文件數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性存在很多問(wèn)題。通常的 情況是，開(kāi)發(fā)者直接處理XML文件而不去考慮數(shù)據(jù)的可靠性。有一些情況提出了上面的所有問(wèn)題?，F(xiàn)實(shí)生活中，每當(dāng)我們從郵局收到一封信件時(shí)我們?nèi)绾未_定這封 信是來(lái)自我們的朋友？依據(jù)可能是他/她的習(xí)慣用語(yǔ)、用詞或者郵件詳細(xì)地址。也可能是他/她的個(gè)性簽名。如今，我們收到的信件可能被某人進(jìn)行了篡改，添加了 其他內(nèi)容?；谏鲜鲈颍ǔＮ覀儠?huì)驗(yàn)證朋友的手寫簽名。當(dāng)然這些是關(guān)于來(lái)自郵局的普通郵件。電子消息又該如何？我們?nèi)绾悟?yàn)證電子消息的真實(shí)性？這種情況 我們會(huì)采用數(shù)字簽名。本文會(huì)對(duì)保證數(shù)據(jù)完整性的XML數(shù)字簽名技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并且展示如何為XML文件附加電子簽名及其驗(yàn)證過(guò)程。

使用的技術(shù)

過(guò)去幾年里，XML數(shù)字簽名取得了快速發(fā)展，在金融領(lǐng)域尤其如此。在開(kāi)始討論之前，讓我們考慮一個(gè)典型場(chǎng)景：想象一下，某個(gè)組織將所有雇員的薪資內(nèi) 容用XML文件發(fā)送給所得稅部門。那么現(xiàn)在的問(wèn)題是：所得稅部門如何驗(yàn)證這份XML文件？這就是說(shuō)，IT部門需要驗(yàn)證該組織的敏感信息。IT部門需要確保 XML文件的來(lái)源可信，并且在IT部門收到之前沒(méi)有經(jīng)過(guò)篡改——也就是說(shuō)文檔的內(nèi)容沒(méi)有在傳遞中被修改。首先，我們需要理解數(shù)字簽名的概念。數(shù)字簽名是一 種用來(lái)驗(yàn)證文檔發(fā)自可信方的電子簽名。它確保了文檔的原始內(nèi)容在傳輸中沒(méi)有受到修改。數(shù)字簽名可以用于任何加密和非加密消息，因此接收方可以識(shí)別發(fā)送者的 身份，并確認(rèn)消息沒(méi)有被其他人修改。根據(jù)維基百科的定義：“數(shù)字簽名是一種驗(yàn)證數(shù)字信息或文檔的數(shù)學(xué)方法”。一個(gè)有效的數(shù)字簽名可以讓接收者確認(rèn)收到的消 息來(lái)自已知發(fā)送方，發(fā)送者不能否認(rèn)自己發(fā)送了此消息（提供認(rèn)證和不可否認(rèn)性）并且此消息在傳輸中未經(jīng)修改（提供完整性）。數(shù)字簽名通常被用在軟件發(fā)布、金 融事務(wù)和其他需要檢測(cè)偽造或篡改的重要場(chǎng)合。

下面讓我們來(lái)看完整的一個(gè)帶有數(shù)字簽名的XML文件：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?><SalaryDeposit> 
  <Organisation> 
    <Name>DDLab Inc</Name> 
    <AccountNo>SBC-12345789</AccountNo> 
  </Organisation> 
  <Employees> 
    <Emp> 
      <Name>John Abraham</Name> 
      <AccountNo>SB-001</AccountNo> 
      <Amount>1234</Amount> 
    </Emp> 
    <Emp> 
      <Name>Bipasha Basu</Name> 
      <AccountNo>SB-002</AccountNo> 
      <Amount>2334</Amount> 
    </Emp> 
    <Emp> 
      <Name>Vidya Balan</Name> 
      <AccountNo>SB-003</AccountNo> 
      <Amount>3465</Amount> 
    </Emp> 
    <Emp> 
      <Name>Debadatta Mishra</Name> 
      <AccountNo>SB-007</AccountNo> 
      <Amount>5789</Amount> 
    </Emp> 
    <Emp> 
      <Name>Priti Zinta</Name> 
      <AccountNo>SB-009</AccountNo> 
      <Amount>1234</Amount> 
    </Emp> 
  </Employees> 
  <Signature xmlns="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#"> 
    <SignedInfo> 
      <CanonicalizationMethod Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315"/> 
      <SignatureMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> 
      <Reference URI=""> 
       <Transforms> 
         <Transform Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> 
       </Transforms> 
       <DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> 
       <DigestValue>bHS+6uf8KbJV4AGzoHNHLfnXvKM=</DigestValue> 
      </Reference> 
    </SignedInfo> 
    <SignatureValue> 
aUEMrCT5dzeOfSNaznzoT0If8WZ8KQcMNXDqtoeseonVk3NqOk9ctcxrf3QVX3wP6810DDRPdI6l 
   e8ccG64Ge0HjkO+aYC5+c2L/qKBzwtSbl/olJEuFU2DVxBQO+K29TTUJfxpVzC9Zf2pvT+1NRj0f 
   2/ofHujYZ01D6+YqI8c= 
    </SignatureValue> 
    <KeyInfo> 
      <KeyValue> 
       <RSAKeyValue> 
         <Modulus> 
jfAd5uV38L36+lDZJrqfH9oLN86VJezXYfAeU+lrFoHlKAXVJLAi9hKvBHQRer4tPfdez6iSBKsl 
      6IHkPnVRAKt0xU99uxi5QpymsWAX3qnBqHlw9Z70PwyZ+Xysfw4Q2tK2HtSgUOhMuaUcIf9sbHvf 
      gbvcRPgxDZZqfIzDmDU=</Modulus> 
         <Exponent>AQAB</Exponent> 
       </RSAKeyValue> 
      </KeyValue> 
    </KeyInfo> 
  </Signature> 
</SalaryDeposit>

上面是一個(gè)帶有簽名的XML文件，該文件可以隨時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。文件中包了含雇員名稱、帳號(hào)和薪資信息。然而，實(shí)際的數(shù)字簽名通 過(guò)<Signature></Signature>標(biāo)記進(jìn)行附加。<Signature> 標(biāo)記中的信息提供了文檔的真實(shí)性。正如你看到的那樣，雖然你可以隨意修改其中的數(shù)據(jù)，但是這種修改會(huì)在隨后的簽名驗(yàn)證中被查到。
基本上數(shù)字簽名有三種類型：

  1. 封內(nèi)簽名
  2. 封外簽名
  3. 分離簽名

封內(nèi)簽名

這種簽名是將簽名作為XML對(duì)象的子信息，也就是說(shuō) <Signature>是郵件中XML文件的子標(biāo)簽。封內(nèi)數(shù)字簽名的結(jié)構(gòu)如下：

<RootElement> 
 <Signature> 
 …… 
 </Signature> 
</ RootElement>

本文會(huì)介紹如何創(chuàng)建XML封內(nèi)數(shù)字簽名。

封外簽名

這種簽名將XML文檔包含到Signature對(duì)象，也就是說(shuō)<Signature>標(biāo)簽是簽名XML文件的根元素。封外簽名結(jié)構(gòu)如下：

<Signature > 
  < MyXMLDocument > 
  …… 
  </ MyXMLDocument > 
</Signature>

分離簽名

這種情況下，簽名是獨(dú)立生成的不作為XML的一部分。也就是說(shuō)你會(huì)擁有兩個(gè)XML文件：一個(gè)待簽名的XML文件，另一個(gè)是XML簽名。下面是分離簽名的XML結(jié)構(gòu)：

<Signature> 
…… 
</Signature>

XML數(shù)字簽名文件結(jié)構(gòu)如下：

<Signature xmlns=""> 
  <SignedInfo> 
    <CanonicalizationMethod Algorithm="" /> 
    <SignatureMethod Algorithm="" /> 
    <Reference URI=""> 
      <Transforms> 
        <Transform Algorithm="" /> 
        </Transforms> 
      <DigestMethod Algorithm="" /> 
      <DigestValue></DigestValue> 
    </Reference> 
  </SignedInfo> 
  <SignatureValue></SignatureValue> 
  <KeyInfo> 
    <KeyValue> 
      <RSAKeyValue> 
        <Modulus></Modulus> 
        <Exponent></Exponent> 
      </RSAKeyValue> 
    </KeyValue> 
  </KeyInfo> 
</Signature>

XML中<Signature>有3個(gè)子標(biāo)簽，結(jié)構(gòu)如下：

<Signature> 
  <SignedInfo></SignedInfo> 
  <SignatureValue></SignatureValue> 
  <KeyInfo></KeyInfo> 
</Signature>

這里<Signature>是XML數(shù)字簽名的根元素，這一點(diǎn)由W3C建議并且必須遵守。<SignedInfo>元素是你的簽名信息；<SignatureValue>包含了實(shí)際的簽名以及使用Base64加密的內(nèi)容；最后<KeyInfo>表示公鑰。讓我們?cè)倏匆幌?lt;SignedInfo>標(biāo)簽，結(jié)構(gòu)如下：

<SignedInfo> 
  <CanonicalizationMethod Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315"/> 
  <SignatureMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> 
  <Reference URI=""> 
    <Transforms> 
      <Transform Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> 
    </Transforms> 
    <DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> 
    <DigestValue>bHS+6uf8KbJV4AGzoHNHLfnXvKM=</DigestValue> 
  </Reference> 
</SignedInfo>

當(dāng)使用Java創(chuàng)建XML數(shù)字簽名時(shí)，SignedInfo對(duì)象被用來(lái)在數(shù)字簽名的Signature標(biāo)簽內(nèi)創(chuàng)建元素。這也是W3C建議的XML簽名標(biāo)準(zhǔn)中的一部分。

XML標(biāo)簽<KeyInfo>的結(jié)構(gòu)如下：

<KeyInfo> 
  <KeyValue> 
    <RSAKeyValue> 
      <Modulus></Modulus> 
      <Exponent></Exponent> 
    </RSAKeyValue> 
  </KeyValue> 
</KeyInfo>

KeyInfo>標(biāo)記包含了需要數(shù)學(xué)計(jì)算的相關(guān)信息，主要有公鑰的系數(shù)和指數(shù)。
要?jiǎng)?chuàng)建XML數(shù)字簽名可以遵循下列步驟：

  1. 生成一組私鑰和公鑰。
  2. 獲得原始XML文件。
  3. 通過(guò)Java API使用私鑰和公鑰為原始的XML文件簽名，生成帶有XML簽名的文檔。

讓我們看看使用Java生成XML簽名的相關(guān)代碼：

public void generateXMLDigitalSignature(String originalXmlFilePath, 
String destnSignedXmlFilePath, String privateKeyFilePath, String publicKeyFilePath) { 
  // 獲取XML文檔對(duì)象 
  Document doc = getXmlDocument(originalXmlFilePath); 
  
  // 創(chuàng)建XML簽名工廠 
  XMLSignatureFactory xmlSigFactory = XMLSignatureFactory.getInstance("DOM"); 
  PrivateKey privateKey = new KryptoUtil().getStoredPrivateKey(privateKeyFilePath); 
  DOMSignContext domSignCtx = new DOMSignContext(privateKey, doc.getDocumentElement()); 
  Reference ref = null; 
  SignedInfo signedInfo = null; 
  try { 
    ref = xmlSigFactory.newReference("", xmlSigFactory.newDigestMethod(DigestMethod.SHA1, null), 
    Collections.singletonList(xmlSigFactory.newTransform(Transform.ENVELOPED, 
    (TransformParameterSpec) null)), null, null); 
    signedInfo = xmlSigFactory.newSignedInfo( 
    xmlSigFactory.newCanonicalizationMethod(CanonicalizationMethod.INCLUSIVE, 
    (C14NMethodParameterSpec) null), 
    xmlSigFactory.newSignatureMethod(SignatureMethod.RSA_SHA1, null), 
    Collections.singletonList(ref)); 
  } catch (NoSuchAlgorithmException ex) { 
    ex.printStackTrace(); 
  } catch (InvalidAlgorithmParameterException ex) { 
    ex.printStackTrace(); 
  } 
  
  // 傳入公鑰路徑 
  KeyInfo keyInfo = getKeyInfo(xmlSigFactory, publicKeyFilePath); 
  
  // 創(chuàng)建新的XML簽名 
  XMLSignature xmlSignature = xmlSigFactory.newXMLSignature(signedInfo, keyInfo); 
  try { 
    // 對(duì)文檔簽名 
    xmlSignature.sign(domSignCtx); 
  } catch (MarshalException ex) { 
    ex.printStackTrace(); 
  } catch (XMLSignatureException ex) { 
    ex.printStackTrace(); 
  } 
  
  // 存儲(chǔ)簽名過(guò)的文檔 
  storeSignedDoc(doc, destnSignedXmlFilePath); 
}

XML簽名驗(yàn)證

數(shù)字簽名的驗(yàn)證包含以下操作：

驗(yàn)證數(shù)字簽名

  • 計(jì)算<SignedInfo>元素摘要。
  • 使用公鑰解密<SignatureValue>元素。
  • 比較上面兩個(gè)值。
  • 計(jì)算引用摘要
  • 重新計(jì)算<SignedInfo>元素引用摘要。
  • 將它們與<DigestValue>中的摘要比較。

為了驗(yàn)證XML簽名文檔，需要完成下列步驟

  1. 得到XML文檔和公鑰。
  2. 驗(yàn)證<SignedInfo> 元素的數(shù)字簽名。
  3. 計(jì)算<SignedInfo> 元素的摘要并對(duì)值進(jìn)行比較。

讓我們看看下面這段XML數(shù)字簽名示例代碼：

public static boolean isXmlDigitalSignatureValid(String signedXmlFilePath, String pubicKeyFilePath) throws Exception { 
  boolean validFlag = false; 
  Document doc = getXmlDocument(signedXmlFilePath); 
  NodeList nl = doc.getElementsByTagNameNS(XMLSignature.XMLNS, "Signature"); 
  if (nl.getLength() == 0) { 
    throw new Exception("No XML Digital Signature Found, document is discarded"); 
  } 
  
  PublicKey publicKey = new KryptoUtil().getStoredPublicKey(pubicKeyFilePath); 
  DOMValidateContext valContext = new DOMValidateContext(publicKey, nl.item(0)); 
  XMLSignatureFactory fac = XMLSignatureFactory.getInstance("DOM"); 
  XMLSignature signature = fac.unmarshalXMLSignature(valContext); 
  validFlag = signature.validate(valContext); 
  return validFlag; 
}

如上面示例代碼所示，XML簽名可以通過(guò)重新計(jì)算<SignedInfo>的摘要值進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證算法由 <SignatureMethod>元素指定；使用公鑰可以驗(yàn)證<SignedInfo>摘要中 的<SignatureValue>值是否正確。 引用摘要會(huì)在<SignedInfo>元素中重新計(jì)算，并與<Reference> 元素中對(duì)應(yīng)的<DigestValue> 進(jìn)行比對(duì)。接下來(lái)，讓我們熟悉一下XML數(shù)字簽名相關(guān)的Java組件。

XMLSignatureFactory

XMLSignatureFactory是生成XML文檔數(shù)字簽名的工廠對(duì)象。對(duì)象的創(chuàng)建如下列代碼所示：

XMLSignatureFactory factory = XMLSignatureFactory.getInstance("DOM");

DOMSignContext

DOMSignContext對(duì)象用來(lái)生成DOM樹(shù)。在創(chuàng)建數(shù)字簽名的過(guò)程中，DOM樹(shù)會(huì)被附上XML數(shù)字簽名。DOMSignContext對(duì)象要求輸入私鑰和XML文檔的根元素。

Reference

Reference對(duì)象用來(lái)在Signature 標(biāo)記的SignedInfo內(nèi)部創(chuàng)建XML數(shù)字簽名。對(duì)象創(chuàng)建的遵循“W3C XML簽名文法和處理”規(guī)則。Reference的基本結(jié)構(gòu)如下：

<Reference URI=""> 
  <Transforms> 
  <Transform Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> 
  </Transforms> 
  <DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> 
  <DigestValue>bHS+6uf8KbJV4AGzoHNHLfnXvKM=</DigestValue> 
</Reference>

SignedInfo

類似的，SignedInfo對(duì)象可以在數(shù)字簽名的Signature標(biāo)記內(nèi)部創(chuàng)建元素。創(chuàng)建的規(guī)則同樣遵循“W3C XML數(shù)字簽名協(xié)議”。SignedInfo的基本結(jié)構(gòu)如下：

<SignedInfo> 
  <CanonicalizationMethod Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315"/> 
  <SignatureMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> 
  <Reference URI=""> 
    <Transforms> 
    <Transform Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> 
    </Transforms> 
    <DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> 
    <DigestValue>bHS+6uf8KbJV4AGzoHNHLfnXvKM=</DigestValue> 
  </Reference> 
</SignedInfo>

XMLSignature

最后，XMLSignature對(duì)象用來(lái)創(chuàng)建XML文檔的封面簽名。按照W3C的建議，簽名對(duì)象應(yīng)該作為XML數(shù)字簽名的根元素。
完整的結(jié)構(gòu)如下：

<Signature xmlns="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#"> 
  <SignedInfo> 
    <CanonicalizationMethod Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315"/> 
    <SignatureMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"/> 
    <Reference URI=""> 
      <Transforms> 
      <Transform Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"/> 
      </Transforms> 
      <DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"/> 
      <DigestValue>bHS+6uf8KbJV4AGzoHNHLfnXvKM=</DigestValue> 
    </Reference> 
  </SignedInfo> 
  <SignatureValue>aUEMrCT5dzeOfSNaznzoT0If8WZ8KQcMNXDqtoeseonVk3NqOk9ctcxrf3QVX3wP6810DDRPdI6l 
  e8ccG64Ge0HjkO+aYC5+c2L/qKBzwtSbl/olJEuFU2DVxBQO+K29TTUJfxpVzC9Zf2pvT+1NRj0f 
  2/ofHujYZ01D6+YqI8c=</SignatureValue> 
  <KeyInfo> 
    <KeyValue> 
    <RSAKeyValue> 
      <Modulus>jfAd5uV38L36+lDZJrqfH9oLN86VJezXYfAeU+lrFoHlKAXVJLAi9hKvBHQRer4tPfdez6iSBKsl 
      6IHkPnVRAKt0xU99uxi5QpymsWAX3qnBqHlw9Z70PwyZ+Xysfw4Q2tK2HtSgUOhMuaUcIf9sbHvf 
      gbvcRPgxDZZqfIzDmDU=</Modulus> 
      <Exponent>AQAB</Exponent> 
    </RSAKeyValue> 
    </KeyValue> 
  </KeyInfo> 
</Signature>

為了有一個(gè)完成的理解，可以從這里下載完整的Netbeans項(xiàng)目代碼。

可以用你最喜歡的Java IDE對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行配置；也可以在source文件夾下運(yùn)行程序。這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)包含了公鑰和私鑰。如果想要自己生成，可以運(yùn)行 “TestGenerateKeys”類生成一對(duì)公鑰和私鑰。通過(guò)指定自己的XMI文件，還可以查看XML簽名的生成過(guò)程。

以上就是本次我們給大家整理的內(nèi)容的全部，感謝大家對(duì)腳本之家的支持，如果大家還有不明白的可以在下方留言區(qū)討論。

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    2020-12-12
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    2020-07-07
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    2021-06-06

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