基于JAVA的數(shù)字簽名設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃云

（渝中職業(yè)教育中心，重慶 400042）

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)、在線考試等信息系統(tǒng)作為一種新的應(yīng)用形式應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比較，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線信息系統(tǒng)可以通過(guò)開(kāi)放的Internet突破傳統(tǒng)考試地域和空間的限制，可以組織大規(guī)模和跨地區(qū)的教育教學(xué)，也可以為遠(yuǎn)程教育和終身教育提供一種便捷有效的教學(xué)方式。但在具體應(yīng)用實(shí)施過(guò)程中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線信息系統(tǒng)也存在需要解決的技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在Internet的開(kāi)放性和無(wú)序性特別是信息安全傳輸問(wèn)題，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線信息系統(tǒng)在Internet上存在攻擊的可能。

2.數(shù)字簽名機(jī)制

在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸中，對(duì)信息進(jìn)行加密可以保證信息的機(jī)密性。但互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)完全開(kāi)放的環(huán)境，在基于Internet的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線信息系統(tǒng)，還需要用一種機(jī)制來(lái)對(duì)通信雙方的身份進(jìn)行認(rèn)證，以保證系統(tǒng)的安全。數(shù)字簽名是基于公開(kāi)密鑰加密體制的。在公開(kāi)密鑰加密體制下，加密密鑰是公開(kāi)的，保密性完全取決于解密密鑰，即私有密鑰的保密。從另一個(gè)角度講，私有密鑰代表信息傳輸者的身份特征。需要數(shù)字簽名時(shí)，信息發(fā)送方首先通過(guò)既定的私有的加密密鑰實(shí)現(xiàn)信息加密，而在信息的接收方，則通過(guò)發(fā)送方的公開(kāi)密鑰實(shí)現(xiàn)信息的解密還原。以上的信息發(fā)送方加密、信息接收方解密的過(guò)程便是數(shù)字簽名的基本原理。此外，第三方也可以通過(guò)發(fā)送方的公鑰進(jìn)行信息解密，這時(shí)，發(fā)送方可以用接收方的公鑰對(duì)信息加密，這樣只有接收方才能用自己的私鑰對(duì)信息進(jìn)行解密，從而保證信息的安全。數(shù)字簽名具備如下特點(diǎn)：

（1）數(shù)字簽名具有不可偽造性，用作用戶的唯一標(biāo)識(shí)，并因此確定發(fā)送方的身份；

（2）保證信息的完整性。數(shù)字簽名必須防止信息在傳輸過(guò)程中被篡改或替換；

（3）具有不可抵賴性，發(fā)送者事后不抵賴對(duì)報(bào)文的簽名。

經(jīng)過(guò)不斷的研究、發(fā)展，出現(xiàn)了多種數(shù)字簽名的加密算法，Hash簽名、RSA簽名、DSS簽名算法應(yīng)用較為廣泛。其中DSS是被建議的數(shù)字簽名標(biāo)準(zhǔn)，主要包括以下步驟：

（1）發(fā)送方用一個(gè)Hash函數(shù)對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理，產(chǎn)生消息摘要，消息摘要MD是通過(guò)Hash函數(shù)產(chǎn)生，Hash函數(shù)為單向產(chǎn)生的Hash碼，Hash碼的作用在于將消息M映射為H(M)，消息M為任意長(zhǎng)度，H(M)則長(zhǎng)度固定且長(zhǎng)度較短，H(M)即為消息摘要；

（2）信息發(fā)送方將該信息的私人密鑰和報(bào)文摘要進(jìn)行DSA算法計(jì)算，產(chǎn)生數(shù)字簽名，并實(shí)現(xiàn)報(bào)文和數(shù)字簽名共同發(fā)送；

（3）在信息接收方，通過(guò)采用相同的Hash函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文的加密，并生成加密消息摘要，在此基礎(chǔ)上，對(duì)信息發(fā)送方的公開(kāi)密鑰和消息摘要應(yīng)用DSA算法，進(jìn)而生成數(shù)字簽名S1；

（4）將數(shù)字簽名S1和從接收到的消息中得到的數(shù)字簽名S2比較，若S1和S2相等，則數(shù)字簽名得到難，否則，數(shù)字簽名可能是篡改或偽造。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NITS）于1991提出了數(shù)字簽名標(biāo)準(zhǔn)DDS，并在1993年和1996年進(jìn)行了修改。DSS是利用安全SHA算法的一種數(shù)字簽名技術(shù)，即數(shù)字簽名算法DSA。H(x)：Hash函數(shù)。DSS中選用SHA。算法中應(yīng)用了下述參數(shù)：

p：素?cái)?shù)，其中2L-1

q：p-1的160bits的素因子，其中2159

g：g=h((p-1)/q)mod p，h 為一整數(shù)，滿足 11；

x：隨機(jī)或偽隨機(jī)整數(shù)，x

y：y=gx mod p ，(p,q,g,y)為公鑰；

k：隨機(jī)或偽隨機(jī)整數(shù)，其中0

對(duì)于明文信息M，簽名及驗(yàn)證協(xié)議如下：

（1）簽名。產(chǎn)生隨機(jī)數(shù) k，k

其中k-1(H(M)q=1，0

（2）驗(yàn)證。信息接收方收到M、r和s后，計(jì)算u1=(H(M)*w)mod q，u2=(r*w)mod q，

其中，w=s-1mod q，v=((gu1*yu2)mod p)mod q，如果 v=r，則判斷數(shù)字簽名是有效的。

3.基于JAVA的數(shù)字簽名設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)簽名的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面，C++、VB、Java均能有較好地實(shí)現(xiàn)，作為應(yīng)用普遍的Java編程語(yǔ)言，通過(guò)其提供的密鑰管理、認(rèn)證、加密、數(shù)字簽名和存取控制功能，Java編程語(yǔ)言提供的簽名方法包括在Java.security軟件之中，在應(yīng)用過(guò)程中Java編程語(yǔ)言能夠較好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名，數(shù)字簽名實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

圖1 數(shù)字簽名實(shí)現(xiàn)過(guò)程

基于Java的數(shù)字簽名密鑰生成、數(shù)字簽名和驗(yàn)證設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如下：

（1）密鑰對(duì)的生成實(shí)現(xiàn)

Java語(yǔ)言生成密鑰對(duì)主要是基于Key Pair Maker類來(lái)實(shí)現(xiàn)，密鑰對(duì)的生成實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：第一步是建立加密密鑰對(duì)的生成器，通過(guò)密鑰對(duì)生成器，生成密鑰對(duì)生成器對(duì)象；第二步實(shí)現(xiàn)對(duì)密鑰對(duì)生成器對(duì)象的初始化，在初始化過(guò)程中分別針對(duì)“隨機(jī)數(shù)源”和“強(qiáng)度”兩個(gè)變量進(jìn)行設(shè)置，隨機(jī)數(shù)源變量由Secure Random類自動(dòng)生成，“強(qiáng)度”變量默認(rèn)設(shè)置為1024位；第三步是通過(guò)調(diào)用GenerateKeyPair函數(shù)返回密鑰（KeyPair）對(duì)象，并通過(guò)調(diào)用getPublic函數(shù)和getPrivate函數(shù)分別提取公開(kāi)密鑰和私人密鑰。實(shí)現(xiàn)代碼設(shè)計(jì)如下：

Key Pair Maker Key Obj=Key pair Maker.getInstanc("DS A");//密鑰對(duì)生成器生成

Key Obj.initalize(1024,new Secure Random());//密鑰對(duì)生成器初始化

KeyPairDouble=KeyObj.GenerateKeyPair();//密鑰對(duì)生成

Public Key Key Public=Key Double.getPublic();//公開(kāi)密鑰提取

Private Key Key Private=dey Double.getPrivate();//私人密鑰提取

（2）數(shù)字簽名的實(shí)現(xiàn)

首先是生成和驗(yàn)證簽名對(duì)象，通過(guò)Signture簽名類實(shí)現(xiàn)。然后是實(shí)現(xiàn)對(duì)私人密鑰的初始化，主要通過(guò)SHA-1算法和DSA算法實(shí)現(xiàn)。最后是生成數(shù)字簽名，通過(guò)調(diào)用Update方法，將簽名信息提供至簽名對(duì)象，在簽名對(duì)象獲取信息之后，數(shù)字簽名便生成了。

Signture DisSign=Signture.get Instance("DSA or SHA");//數(shù)字簽名的生成

Dis Sign.inisign(DeyPrivate);//私人密鑰的初始化

Dis Sign.Update(Message);//簽名信息提供

SignMessage=DisSign.sign();//簽名操作執(zhí)行

（3）驗(yàn)證簽名

第一是驗(yàn)證簽名對(duì)象的建立，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)公開(kāi)密鑰的初始化，主要通過(guò)調(diào)用Initverify實(shí)現(xiàn)。第二是向驗(yàn)證簽名對(duì)象提供驗(yàn)證簽名信息，主要通過(guò)Update方法實(shí)現(xiàn)。第三是驗(yàn)證簽名是否正確，主要通過(guò)調(diào)用verify函數(shù)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)函數(shù)返回的邏輯值進(jìn)行判斷。主要程序代碼如下：

Signature DisSign=SignaturegetInstance("DSA or SHA");//驗(yàn)證簽名對(duì)象的建立

DisSign.initVerify(KeyPublic);//公開(kāi)密鑰的初始化

DisSign update(signMessage);//簽名驗(yàn)證信息提供

Beelean Result=DisSign.verify(signMessage);//驗(yàn)證簽名

4.結(jié)束語(yǔ)

基于公開(kāi)密鑰加密體系的數(shù)字簽名，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)安全通信中的一項(xiàng)重要安全機(jī)制。對(duì)稱密鑰加密可以保證信息的機(jī)密性，而數(shù)字簽名技術(shù)可以鑒別通信雙方的身份，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)耐暾裕呀?jīng)成為Internet環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信息安全傳輸?shù)谋貍涫侄?，在電子商?wù)和電子政務(wù)等Web應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線信息系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也可于使用數(shù)字簽名技術(shù)來(lái)認(rèn)證通信雙方的身份，實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸。

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