詳解Java數(shù)字簽名提供XML安全

更新時間：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安全的知識點內(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)品和項目開發(fā)中起著非常重要的作用。通過XML文檔可以獲取很多信息，還可以使用XML文件進行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)是來自經(jīng)過認(rèn)證的可信和可靠的來源。關(guān)于XML文件數(shù)據(jù)的可靠性和真實性存在很多問題。通常的情況是，開發(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題?，F(xiàn)實生活中，每當(dāng)我們從郵局收到一封信件時我們?nèi)绾未_定這封信是來自我們的朋友？依據(jù)可能是他/她的習(xí)慣用語、用詞或者郵件詳細地址。也可能是他/她的個性簽名。如今，我們收到的信件可能被某人進行了篡改，添加了其他內(nèi)容?；谏鲜鲈颍ǔＮ覀儠炞C朋友的手寫簽名。當(dāng)然這些是關(guān)于來自郵局的普通郵件。電子消息又該如何？我們?nèi)绾悟炞C電子消息的真實性？這種情況我們會采用數(shù)字簽名。本文會對保證數(shù)據(jù)完整性的XML數(shù)字簽名技術(shù)進行簡要介紹，并且展示如何為XML文件附加電子簽名及其驗證過程。

使用的技術(shù)

過去幾年里，XML數(shù)字簽名取得了快速發(fā)展，在金融領(lǐng)域尤其如此。在開始討論之前，讓我們考慮一個典型場景：想象一下，某個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)在的問題是：所得稅部門如何驗證這份XML文件？這就是說，IT部門需要驗證該組織的敏感信息。IT部門需要確保 XML文件的來源可信，并且在IT部門收到之前沒有經(jīng)過篡改——也就是說文檔的內(nèi)容沒有在傳遞中被修改。首先，我們需要理解數(shù)字簽名的概念。數(shù)字簽名是一種用來驗證文檔發(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，因此接收方可以識別發(fā)送者的身份，并確認(rèn)消息沒有被其他人修改。根據(jù)維基百科的定義：“數(shù)字簽名是一種驗證數(shù)字信息或文檔的數(shù)學(xué)方法”。一個有效的數(shù)字簽名可以讓接收者確認(rèn)收到的消息來自已知發(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)和其他需要檢測偽造或篡改的重要場合。

下面讓我們來看完整的一個帶有數(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>

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

封內(nèi)簽名
封外簽名
分離簽名

封內(nèi)簽名

這種簽名是將簽名作為XML對象的子信息，也就是說 <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對象，也就是說<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，簽名是獨立生成的不作為XML的一部分。也就是說你會擁有兩個XML文件：一個待簽名的XML文件，另一個是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。讓我們再看一下<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，SignedInfo對象被用來在數(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)計算的相關(guān)信息，主要有公鑰的系數(shù)和指數(shù)。
要創(chuàng)建XML數(shù)字簽名可以遵循下列步驟：

生成一組私鑰和公鑰。
獲得原始XML文件。
通過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 { 
    // 對文檔簽名 
    xmlSignature.sign(domSignCtx); 
  } catch (MarshalException ex) { 
    ex.printStackTrace(); 
  } catch (XMLSignatureException ex) { 
    ex.printStackTrace(); 
  } 
  
  // 存儲簽名過的文檔 
  storeSignedDoc(doc, destnSignedXmlFilePath); 
}

XML簽名驗證

數(shù)字簽名的驗證包含以下操作：

驗證數(shù)字簽名

計算<SignedInfo>元素摘要。
使用公鑰解密<SignatureValue>元素。
比較上面兩個值。
計算引用摘要
重新計算<SignedInfo>元素引用摘要。
將它們與<DigestValue>中的摘要比較。

為了驗證XML簽名文檔，需要完成下列步驟

得到XML文檔和公鑰。
驗證<SignedInfo> 元素的數(shù)字簽名。
計算<SignedInfo> 元素的摘要并對值進行比較。

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簽名可以通過重新計算<SignedInfo>的摘要值進行驗證，驗證算法由 <SignatureMethod>元素指定；使用公鑰可以驗證<SignedInfo>摘要中的<SignatureValue>值是否正確。引用摘要會在<SignedInfo>元素中重新計算，并與<Reference> 元素中對應(yīng)的<DigestValue> 進行比對。接下來，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)字簽名的工廠對象。對象的創(chuàng)建如下列代碼所示：

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

DOMSignContext

DOMSignContext對象用來生成DOM樹。在創(chuàng)建數(shù)字簽名的過程中，DOM樹會被附上XML數(shù)字簽名。DOMSignContext對象要求輸入私鑰和XML文檔的根元素。

Reference

Reference對象用來在Signature 標(biāo)記的SignedInfo內(nèi)部創(chuàng)建XML數(shù)字簽名。對象創(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對象用來創(chuàng)建XML文檔的封面簽名。按照W3C的建議，簽名對象應(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>

為了有一個完成的理解，可以從這里下載完整的Netbeans項目代碼。

可以用你最喜歡的Java IDE對項目進行配置；也可以在source文件夾下運行程序。這個項目已經(jīng)包含了公鑰和私鑰。如果想要自己生成，可以運行 “TestGenerateKeys”類生成一對公鑰和私鑰。通過指定自己的XMI文件，還可以查看XML簽名的生成過程。

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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