混合型數(shù)字簽名技術(shù)在Java中的實現(xiàn)

曹虎山 劉國彥 曾小舟

摘 要：數(shù)字簽名技術(shù)建立在數(shù)據(jù)加密的基礎(chǔ)上，目前常用的加密方式有對稱加密和非對稱加密，對稱加密使用同一把密鑰加解密，而非對稱加密技術(shù)使用私鑰和公鑰實現(xiàn)加密過程，兩種加密技術(shù)各有優(yōu)缺點。在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，信息的完整性和傳遞的時效性同等重要，在保證數(shù)據(jù)可靠性的同時兼顧好用戶體驗，提出混合型數(shù)字簽名技術(shù)，并簡單介紹其實現(xiàn)原理，并且通過面向?qū)ο缶幊陶Z言Java來實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：混合型;數(shù)字簽名;網(wǎng)絡(luò)安全;面向?qū)ο?/p>

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滲透到當(dāng)今社會的每個角落，“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的推廣，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加快了信息化建設(shè)的腳步，網(wǎng)絡(luò)作為信息傳遞的途徑，信息的安全和保密越發(fā)變得重要。目前，為了保證數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)傳遞時的保密性，常用的技術(shù)手段有訪問控制、身份認(rèn)證及安全審計等。但是這些手段主要是從外部保護數(shù)據(jù)在傳遞過程中的安全性，一旦數(shù)據(jù)在發(fā)送前或接收后遭到攻擊，則不能驗證信息的完整性。因此，數(shù)字簽名技術(shù)因此誕生，數(shù)字簽名技術(shù)是在數(shù)據(jù)加密的基礎(chǔ)上演化而來，目前加密的方式主要有兩種：一種是對稱加密，另一種是非對稱加密。對稱加密指的是加密和解密使用的是同一把密鑰，它的優(yōu)點是加密速度快，效率高，缺點是密鑰分發(fā)及管理比較困難;而非對稱加密分為公鑰和私鑰，公鑰解決了密鑰分發(fā)的問題，但是公鑰的加解密操作速度較慢。因此，結(jié)合兩種加密方式的優(yōu)缺點，提出混合數(shù)字簽名技術(shù)，在保證信息完整性的同時，提高數(shù)據(jù)加密的效率，對當(dāng)前各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有積極的促進作用。

1.加密技術(shù)

1.1對稱加密技術(shù)

對稱加密也稱單密鑰加密，指的是通信雙方使用的同一個密鑰，既可以加密又可以解密。對稱加密通常在消息發(fā)送方需要加密大量數(shù)據(jù)時使用，具有加密速度快、計算量小、加密效率高、算法公開等特點。但是在數(shù)據(jù)傳送前，發(fā)送方和接收方必須約定好密鑰，且雙方都能保管好密鑰，否則只要一方的密鑰泄露，那么信息也就不安全了。此外，每次通信雙方都需要使用其他人不知道的唯一密鑰，多次通信則意味收、發(fā)雙方所擁有的密鑰變得越來越多，密鑰的管理成為雙方的負(fù)擔(dān)。常用的對稱加密算法有DES、AES等。

1.2非對稱加密技術(shù)

非對稱加密的密鑰由公鑰和私鑰組成，并且可以使用多對密鑰。通常有以下幾種加解密方式：私鑰解密公鑰加密，公鑰解密私鑰加密數(shù)據(jù)，私鑰公鑰可以互相加密解密。私鑰只能由一方保管，公鑰交給請求方。非對稱加密速度較慢，但密鑰的管理較方便，也更安全。常見的非對稱加密算法有RSA等。

1.3混合型加密技術(shù)

在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常是將兩者混合使用，這樣即解決了密鑰管理的問題，也保證了在非安全信道中密鑰交換的安全性，同時大大提高了加解密的速度。尤其是在安全性與用戶體驗同等重要的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，混合型加密技術(shù)是一種非常有效的數(shù)字簽名技術(shù)。

1.4數(shù)字簽名

不管是對稱加密還是非對稱加密，都只能保證數(shù)據(jù)的完整性，在網(wǎng)絡(luò)通信中，數(shù)據(jù)的不可抵賴性則要借助證書中心（Certificate Authority，簡稱CA）來實現(xiàn)，證書中心的作用是為公鑰作認(rèn)證，CA通過自己的私鑰，對通信雙方的公鑰和一些相關(guān)信息一起加密，生成“數(shù)字證書”。該證書能使通信接收方確認(rèn)數(shù)據(jù)的來源和數(shù)據(jù)完整性，防止被他人偽造。當(dāng)通信雙方發(fā)生爭議時，CA根據(jù)消息上的簽名來判定這條消息是否確實由發(fā)送方發(fā)出，因為數(shù)字簽名的本質(zhì)是簽名只能通過簽名者的私鑰才能產(chǎn)生，從而保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的不可抵賴性。

2.混合型數(shù)字簽名技術(shù)在Java中的實現(xiàn)

Java作為最熱門的Web應(yīng)用開發(fā)語言，在網(wǎng)絡(luò)安全編程中實現(xiàn)數(shù)字簽名具有很大的優(yōu)勢，它提供了兩種API實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密與解密，即JCA和JCE。在此我們采用混合密鑰算法實現(xiàn)數(shù)字簽名，不僅可以提高信息在傳輸過程中的保密性，也使服務(wù)器端的工作效率大大提高。例如針對客戶機/服務(wù)器模型（C/S架構(gòu)），實現(xiàn)過程如下：

（1）服務(wù)器Server使用 Hash 算法對所發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行計算得到信息摘要，用自己的私鑰ServerPrivateKey對其加密形成數(shù)字簽名;

（2）服務(wù)器Server生成對稱密鑰 ServerSingleKey，使用客戶端Client的公鑰ClientPublicKey對其加密;

（3）服務(wù)器Server使用對稱密鑰ServerSingleKey對信息內(nèi)容進行加密;

（4）服務(wù)器Server將加密后的對稱密鑰和加密后的密文打包;

（5）服務(wù)器Server將打包后的數(shù)據(jù)和數(shù)字簽名發(fā)送至客戶端Client;

（6）客戶端Client收到加密的數(shù)據(jù)包后，用客戶端的私鑰ClientPrivateKey解密得到ServerSingleKey;

（7）客戶端Client使用解密后的對稱密鑰ServerSingleKey對密文數(shù)據(jù)包解密，得到明文內(nèi)容;

驗證數(shù)字簽名過程：

（1）客戶端Client獲取數(shù)字簽名;

（2）客戶端Client采用相同的Hash算法對解密后的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行計算得到信息摘要，并使用服務(wù)器Server的公鑰ServerPublicKey檢驗數(shù)字簽名;

（3）如果數(shù)字簽名相同，那么就可以確認(rèn)該數(shù)字簽名是來自服務(wù)器Server，并且數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有遭到破壞或篡改。

服務(wù)器Server實現(xiàn)密鑰生成和簽名的部分代碼：

KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance（"RSA"）;//初始化參數(shù)

keyPairGenerator.initialize（512）;

KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair（）;

RSAPublicKey ServerPublicKey = （RSAPublicKey）keyPair.getPublic（）;//服務(wù)器公鑰

RSAPrivateKey ServerPrivateKey = （RSAPrivateKey）keyPair.getPrivate（）;//服務(wù)器私鑰

//執(zhí)行簽名

PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec（ServerPrivateKey.getEncoded（））;

KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance（"RSA"）;

PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate（pkcs8EncodedKeySpec）;

Signature signature = Signature.getInstance（"MD5withRSA"）;

signature.initSign（privateKey）;

signature.update（src.getBytes（））;

byte[] result = signature.sign（）;

客戶端Client驗證簽名的部分代碼：

X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec（ServerPublicKey.getEncoded（））;

keyFactory = KeyFactory.getInstance（"RSA"）;

PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic（x509EncodedKeySpec）;

signature = Signature.getInstance（"MD5withRSA"）;

signature.initVerify（publicKey）;

signature.update（src.getBytes（））;

boolean bool = signature.verify（result）;//驗證簽名

3.結(jié)束語

在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，數(shù)字簽名技術(shù)是保障信息安全的重要手段。混合型加密算法不僅實現(xiàn)了數(shù)字簽名，而且保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的保密性與可靠性，以及通信雙方的不可抵賴，同時提高了加解密過程的效率，在保證信息安全的基礎(chǔ)上對用戶體驗的影響也降到最小，是一項值得推廣的互聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用技術(shù)。

參考文獻：

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[4]鄭鴻雁. 移動數(shù)字簽名關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2014.

[5]李瑞俊.基于混合密碼體制的數(shù)據(jù)加密模型的研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，30（18）：10-11.

作者簡介：

曹虎山（1967—），男，漢族，湖南益陽，教授，湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：信息技術(shù)。

劉國彥（1978—），男，漢族，湖南益陽，副教授，湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：軟件測試。

曾小舟（1986—），男，漢族，湖南常德，講師，湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：軟件工程。

基金項目：

湖南省教育廳科學(xué)研究項目《混合型數(shù)字簽名技術(shù)在O2O電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用研究》（項目編號：15C0810）階段性成果。