用java数字签名提供xml安全
众所周知，xml在产品和项目开发中起着非常重要的作用。通过xml文档可以获取很多信息，还可以使用xml文件进行crud（增加、查询、更新和 删除）操作。然而值得注意的是，我们如何确保xml中的数据是来自经过认证的可信和可靠的来源。关于xml文件数据的可靠性和真实性存在很多问题。通常的 情况是，开发者直接处理xml文件而不去考虑数据的可靠性。有一些情况提出了上面的所有问题。现实生活中，每当我们从邮局收到一封信件时我们如何确定这封 信是来自我们的朋友？依据可能是他/她的习惯用语、用词或者邮件详细地址。也可能是他/她的个性签名。如今，我们收到的信件可能被某人进行了篡改，添加了 其他内容。基于上述原因，通常我们会验证朋友的手写签名。当然这些是关于来自邮局的普通邮件。电子消息又该如何？我们如何验证电子消息的真实性？这种情况 我们会采用数字签名。本文会对保证数据完整性的xml数字签名技术进行简要介绍，并且展示如何为xml文件附加电子签名及其验证过程。
使用的技术
过去几年里，xml数字签名取得了快速发展，在金融领域尤其如此。在开始讨论之前，让我们考虑一个典型场景：想象一下，某个组织将所有雇员的薪资内 容用xml文件发送给所得税部门。那么现在的问题是：所得税部门如何验证这份xml文件？这就是说，it部门需要验证该组织的敏感信息。it部门需要确保 xml文件的来源可信，并且在it部门收到之前没有经过篡改——也就是说文档的内容没有在传递中被修改。首先，我们需要理解数字签名的概念。数字签名是一 种用来验证文档发自可信方的电子签名。它确保了文档的原始内容在传输中没有受到修改。数字签名可以用于任何加密和非加密消息，因此接收方可以识别发送者的 身份，并确认消息没有被其他人修改。根据维基百科的定义：“数字签名是一种验证数字信息或文档的数学方法”。一个有效的数字签名可以让接收者确认收到的消 息来自已知发送方，发送者不能否认自己发送了此消息（提供认证和不可否认性）并且此消息在传输中未经修改（提供完整性）。数字签名通常被用在软件发布、金 融事务和其他需要检测伪造或篡改的重要场合。
下面让我们来看完整的一个带有数字签名的xml文件：
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<?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> |
上面是一个带有签名的xml文件，该文件可以随时进行验证。文件中包了含雇员名称、帐号和薪资信息。然而，实际的数字签名通 过<signature></signature>标记进行附加。<signature> 标记中的信息提供了文档的真实性。正如你看到的那样，虽然你可以随意修改其中的数据，但是这种修改会在随后的签名验证中被查到。
基本上数字签名有三种类型：
- 封内签名
- 封外签名
- 分离签名
封内签名
这种签名是将签名作为xml对象的子信息，也就是说 <signature>是邮件中xml文件的子标签。封内数字签名的结构如下：
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<rootelement> <signature> …… </signature> </ rootelement> |
本文会介绍如何创建xml封内数字签名。
封外签名
这种签名将xml文档包含到signature对象，也就是说<signature>标签是签名xml文件的根元素。封外签名结构如下：
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<signature > < myxmldocument > …… </ myxmldocument > </signature> |
分离签名
这种情况下，签名是独立生成的不作为xml的一部分。也就是说你会拥有两个xml文件：一个待签名的xml文件，另一个是xml签名。下面是分离签名的xml结构：
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<signature> …… </signature> |
xml数字签名文件结构如下：
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<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个子标签，结构如下：
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<signature> <signedinfo></signedinfo> <signaturevalue></signaturevalue> <keyinfo></keyinfo> </signature> |
这里<signature>是xml数字签名的根元素，这一点由w3c建议并且必须遵守。<signedinfo>元素是你的签名信息；<signaturevalue>包含了实际的签名以及使用base64加密的内容；最后<keyinfo>表示公钥。让我们再看一下<signedinfo>标签，结构如下：
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<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> |
当使用java创建xml数字签名时，signedinfo对象被用来在数字签名的signature标签内创建元素。这也是w3c建议的xml签名标准中的一部分。
xml标签<keyinfo>的结构如下：
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<keyinfo> <keyvalue> <rsakeyvalue> <modulus></modulus> <exponent></exponent> </rsakeyvalue> </keyvalue> </keyinfo> |
keyinfo>标记包含了需要数学计算的相关信息，主要有公钥的系数和指数。
要创建xml数字签名可以遵循下列步骤：
- 生成一组私钥和公钥。
- 获得原始xml文件。
- 通过java api使用私钥和公钥为原始的xml文件签名，生成带有xml签名的文档。
让我们看看使用java生成xml签名的相关代码：
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public void generatexmldigitalsignature(string originalxmlfilepath, string destnsignedxmlfilepath, string privatekeyfilepath, string publickeyfilepath) { // 获取xml文档对象 document doc = getxmldocument(originalxmlfilepath); // 创建xml签名工厂 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(); } // 传入公钥路径 keyinfo keyinfo = getkeyinfo(xmlsigfactory, publickeyfilepath); // 创建新的xml签名 xmlsignature xmlsignature = xmlsigfactory.newxmlsignature(signedinfo, keyinfo); try { // 对文档签名 xmlsignature.sign(domsignctx); } catch (marshalexception ex) { ex.printstacktrace(); } catch (xmlsignatureexception ex) { ex.printstacktrace(); } // 存储签名过的文档 storesigneddoc(doc, destnsignedxmlfilepath); } |
xml签名验证
数字签名的验证包含以下操作：
验证数字签名
- 计算<signedinfo>元素摘要。
- 使用公钥解密<signaturevalue>元素。
- 比较上面两个值。
- 计算引用摘要
- 重新计算<signedinfo>元素引用摘要。
- 将它们与<digestvalue>中的摘要比较。
为了验证xml签名文档，需要完成下列步骤
- 得到xml文档和公钥。
- 验证<signedinfo> 元素的数字签名。
- 计算<signedinfo> 元素的摘要并对值进行比较。
让我们看看下面这段xml数字签名示例代码：
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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; } |
如上面示例代码所示，xml签名可以通过重新计算<signedinfo>的摘要值进行验证，验证算法由 <signaturemethod>元素指定；使用公钥可以验证<signedinfo>摘要中 的<signaturevalue>值是否正确。 引用摘要会在<signedinfo>元素中重新计算，并与<reference> 元素中对应的<digestvalue> 进行比对。接下来，让我们熟悉一下xml数字签名相关的java组件。
xmlsignaturefactory
xmlsignaturefactory是生成xml文档数字签名的工厂对象。对象的创建如下列代码所示：
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xmlsignaturefactory factory = xmlsignaturefactory.getinstance("dom"); |
domsigncontext
domsigncontext对象用来生成dom树。在创建数字签名的过程中，dom树会被附上xml数字签名。domsigncontext对象要求输入私钥和xml文档的根元素。
reference
reference对象用来在signature 标记的signedinfo内部创建xml数字签名。对象创建的遵循“w3c xml签名文法和处理”规则。reference的基本结构如下：
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<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
类似的，signedinfo对象可以在数字签名的signature标记内部创建元素。创建的规则同样遵循“w3c xml数字签名协议”。signedinfo的基本结构如下：
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<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对象用来创建xml文档的封面签名。按照w3c的建议，签名对象应该作为xml数字签名的根元素。
完整的结构如下：
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<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> |
为了有一个完成的理解，可以从这里下载完整的netbeans项目代码。
可以用你最喜欢的java ide对项目进行配置；也可以在source文件夹下运行程序。这个项目已经包含了公钥和私钥。如果想要自己生成，可以运行 “testgeneratekeys”类生成一对公钥和私钥。通过指定自己的xmi文件，还可以查看xml签名的生成过程。
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