基于XML的數(shù)字簽名在電子病歷的應(yīng)用方法

黃海平

摘 要：針對(duì)文件數(shù)字簽名在電子病歷應(yīng)用中存在只能整體簽名、重復(fù)性簽名等諸多限制和問題，提出改用XML數(shù)字簽名。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，XML數(shù)字簽名可支持多種方式的文檔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子病歷進(jìn)行部分和多方簽名驗(yàn)證，并能提供清晰易讀的密鑰信息，更加便于簽名的自動(dòng)檢驗(yàn)處理。因此，在電子病歷的應(yīng)用中，XML數(shù)字簽名較文件數(shù)字簽名在平衡安全性和數(shù)據(jù)庫空間節(jié)約性上具有明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：空間節(jié)約XML；語言數(shù)字簽名

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

目前，隨著醫(yī)療信息化建設(shè)的不斷深入開展，國內(nèi)的各個(gè)層級(jí)的醫(yī)院已經(jīng)普遍淘汰了紙質(zhì)電子病歷，采用電子病歷系統(tǒng)，而電子簽名法的誕生，意味著數(shù)字簽名技術(shù)將逐步保障電子病歷的安全性和保密性[1]。近年來，國內(nèi)外醫(yī)療信息化科技工作者對(duì)數(shù)字簽名技術(shù)在電子病歷的應(yīng)用方面做了諸多研究，尤其是防篡改和安全可靠保障的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在美國推出了《數(shù)字簽名法》[2-3]，鼓勵(lì)信息行業(yè)采用數(shù)字簽名技術(shù)保證電子病歷的安全，國內(nèi)學(xué)者開展了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加密、數(shù)字水印等多種電子病歷加密方法[4-5]，但是，更具應(yīng)用潛力的XML數(shù)字簽名技術(shù)在電子病歷上的應(yīng)用研究相對(duì)較少，本文著重從平衡安全性和數(shù)據(jù)庫空間節(jié)約性上，討論XML數(shù)字簽名技術(shù)在電子病歷的應(yīng)用。

2 文件數(shù)字簽名和XML數(shù)字簽名的技術(shù)

原理

2.1 電子病歷XML數(shù)字簽名生成

電子病歷XML數(shù)字簽名算法生成過程中，針對(duì)要的簽名對(duì)象計(jì)算其摘要值，然后執(zhí)行簽名。XML數(shù)字簽名的形成分為兩部分操作，第一是形成Reference元素，第二是形成Signature元素[6]。

1.Reference 元素的生成：

步驟1：先用Transform對(duì)需要產(chǎn)生摘要的內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一化處理；

步驟2：根據(jù)哈希函數(shù)產(chǎn)生摘要哈希值，可用于對(duì)數(shù)據(jù)的接收方進(jìn)行摘要核對(duì)；

步驟3：創(chuàng)建一個(gè) Reference 元素，作為父元素，子元素包含 DigestMethod、DigestValue元素?？蛇x的Transforms元素中的子元素要先后順序處理。

2.Signature元素的生成：

步驟1：首先創(chuàng)建SignedInfo元素，并作為父元素，子元素包括SignatureMethod元素、CanolicalizationMethod元素以及若干個(gè) Reference 元素。

步驟2：把步驟1創(chuàng)建的SignedInfo元素輸入到CanolicalizationMethod元素中，進(jìn)行規(guī)范化的處理，輸出結(jié)果以便作為數(shù)字簽名的輸入內(nèi)容，再結(jié)合KeyInfo中的信息進(jìn)行數(shù)字簽名。

步驟3：創(chuàng)建Signature元素，把步驟2的結(jié)果賦值給SignatureValue 元素，同時(shí)將SignatureValue 元素連同Signedlnfo元素、Keylnfo 元素，三個(gè)元素作為子元素封裝到 Signature 元素中，在封裝式簽名的情況下，也可把Object元素也封裝進(jìn)來。

圖1 電子病歷XML數(shù)字簽名過程流程圖

2.2 電子病歷XML數(shù)字簽名的驗(yàn)證原理

電子病歷XML數(shù)字簽名的驗(yàn)證是一個(gè)發(fā)送方封裝公鑰解密過程，具體是根據(jù)Reference元素里被簽名的文檔和被簽名的加密算法重新計(jì)算得出被簽名文檔的摘要，與發(fā)送方提供的摘要對(duì)比，如果一致則說明沒有被篡改[7]。驗(yàn)證過程包括了引用驗(yàn)證和簽名驗(yàn)證兩個(gè)部分。

圖2 電子病歷XML數(shù)字簽名驗(yàn)證過程流程圖

1.引用驗(yàn)證給過程是首先用CanolicalizationMethod元素規(guī)范化處理SignedInfo元素；然后從中提取出數(shù)據(jù)源引用并作轉(zhuǎn)換處理，將這時(shí)的輸出作為Digest要處理的輸入生成數(shù)據(jù)摘要值；最后將 signedInfo元素中提取的DigestValue元素值與前面生成的摘要值兩兩匹配，一致則驗(yàn)證完成。

2.簽名驗(yàn)證流程是先從KeyInfo元素提取出驗(yàn)證密鑰；然后通過SignatuerMethod元素的規(guī)范處理確定發(fā)送方使用的簽名算法。把收到的簽名值和經(jīng)過算法計(jì)算出來的SignatureValue元素值對(duì)照，一致則證明簽名正確[8]。

3 電子病歷XML數(shù)字簽名的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 電子病歷XML數(shù)字簽名的算法流程設(shè)計(jì)

步驟1：客戶端新建一份電子病歷文檔，對(duì)簽名的驗(yàn)證端發(fā)送包含簽名者和病人身份信息的追加簽名請(qǐng)求；

步驟2：簽名驗(yàn)證端提取追加簽名請(qǐng)求的簽名者和病人身份信息；

步驟3：簽名驗(yàn)證端按照以下的步驟完成對(duì)簽名者的身份驗(yàn)證：

1.簽名驗(yàn)證端發(fā)送隨機(jī)信息給客戶端；

2.客戶端簽名者用私鑰對(duì)信息加密后反饋給簽名驗(yàn)證端；

3.簽名驗(yàn)證端向CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)調(diào)用了簽名者的公鑰進(jìn)行消息解密，并將結(jié)果與所發(fā)送的隨機(jī)消息比照。

圖3 數(shù)字簽名邏輯流程圖[9]

步驟4：若一致，則進(jìn)行步驟5，不一致，則行步驟15；

步驟5：簽名驗(yàn)證端通過身份驗(yàn)證，建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫連接，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫的查詢提取出簽名者和病人的身份信息，并把查詢結(jié)果反饋給客戶端；

步驟6：若查詢結(jié)果為空，則進(jìn)行步驟7，若不為空，則進(jìn)行步驟8；

步驟7：若查詢結(jié)果為空，證明是簽名者對(duì)病人的第一份簽名的病歷（不是要追加的病歷），客戶端直接用私鑰簽名后發(fā)送給簽名驗(yàn)證端（具體案例內(nèi)容見下面3.2.1的內(nèi)容），首先簽名者用把要簽名的病歷代入哈希函數(shù)，得出一個(gè)哈希值，也就是文章摘要，再用私鑰加密，形成數(shù)字簽名，然后，執(zhí)行步驟12；endprint

步驟8：如果查詢結(jié)果不為空，則表明這一份不是簽名者對(duì)該病人的初始病歷，簽名認(rèn)證端遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫，提取除去簽名信息的已有的電子病歷文檔，再重新發(fā)送給客戶端；

步驟9：客戶端將步驟1新建的電子病歷文檔追加到原有的電子病歷文檔中，并對(duì)復(fù)合后更新的電子病歷文檔進(jìn)行簽名，再發(fā)送給簽名認(rèn)證端保存；

步驟10：簽名認(rèn)證端將追加后更新的電子病歷與原有的電子病歷對(duì)應(yīng)部分進(jìn)行比照；

步驟11：如果被篡改，則進(jìn)行步驟15，如果沒有被篡改，則進(jìn)行步驟12；

步驟12：簽名認(rèn)證端通過CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)調(diào)用了簽名者的公鑰對(duì)文檔簽名進(jìn)行驗(yàn)證，具體驗(yàn)證過程如圖2所示，用公鑰解密將數(shù)字簽名轉(zhuǎn)化為哈希值，與接收的電子病歷代入哈希函數(shù)得出的哈希值，兩相比較；

步驟13：若一致，則執(zhí)行步驟14，若不一致，則執(zhí)行步驟15；

步驟14：將已簽名的更新后的電子文檔存入數(shù)據(jù)庫，并刪除原有的電子病歷文檔，避免空間的重復(fù)浪費(fèi)；

步驟15：將結(jié)果反饋給客戶端。

3.2 基于XML數(shù)字簽名電子病歷的語言實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)圖3XML數(shù)字簽名邏輯流程圖步驟7 “直接簽名”需要新建一個(gè)XML電子病歷文檔medicalRecords類[10]，該新建文檔經(jīng)過圖3流程圖“直接簽名”后，所形成醫(yī)生簽名了的“新建電子文檔”PatientCrecord類。

根據(jù)圖3的流程圖在原有已經(jīng)簽名電子病歷文檔的基礎(chǔ)上，追加內(nèi)容并再次簽名的實(shí)現(xiàn)。

原簽名的電子病歷：

B

2014-01-20

xmldsig#sha 1”/>

iA0CV/biI1Ym9QXNwWDO800KvnM

=

Ounufo8k3IR89rWQp0RiS72ad68WuZPrjFD4SpPgAx8CWmUZDw/iNA=

追加了2.1病歷內(nèi)容以后數(shù)字簽名并在數(shù)據(jù)庫更新后的電子病歷文檔如下：

zegsCxd0HM5JxQY/rqBctpLtgO0=

ixcZLOCaZxo14Awyg8fcGofIPzuH6oWnqvYvdI9hXzkTqTSPvzsGBw=

4 XML數(shù)字簽名與文件數(shù)字簽名的比較

分析

文件數(shù)字簽名是醫(yī)生針對(duì)整份電子病歷采用私鑰簽名存檔，表面看上去比較方便，但實(shí)際不易于數(shù)據(jù)庫的管理，因?yàn)榇嬖诙辔会t(yī)生對(duì)同一份病歷進(jìn)行重復(fù)性簽名，這對(duì)于存儲(chǔ)空間無疑是一種浪費(fèi)，而XML數(shù)字簽名可以針對(duì)一份病歷中任一部分的內(nèi)容進(jìn)行簽名，比如醫(yī)生A對(duì)第一部分簽名，醫(yī)生B對(duì)第二部分，以此類推。因此，XML數(shù)字簽名在平衡安全性和數(shù)據(jù)庫空間節(jié)約性上具有明顯優(yōu)勢[11]。

另外，由于XML語言本身的可擴(kuò)展性和開放性的特征，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)XML文檔進(jìn)行部分簽名和多方簽名，而文件的數(shù)字簽名[12]，如下圖所示，只能對(duì)整個(gè)電子病歷文檔進(jìn)行整體簽名。

圖4 文件數(shù)字簽名運(yùn)行界面

同文件數(shù)字簽名對(duì)比，XML數(shù)字簽名可支持多種方式的文檔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)文檔特定部分進(jìn)行簽名和驗(yàn)證，并且其提供的密鑰信息的表示清晰易讀，更加便于簽名的自動(dòng)檢驗(yàn)處理[13]。下圖5，則是根據(jù)圖4所示的同一內(nèi)容的電子病歷，其中一部分進(jìn)行簽名。

圖5 XML數(shù)字簽名運(yùn)行界面

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