详解Java数字签名提供XML安全

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：

<?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：

1. 封内签名
2. 封外签名
3. 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：

<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：

<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：

<Signature>
……
</Signature> 

XML数字签名文件结构如下：

<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个子标签，结构如下：

<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：

<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：

<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：

1. 生成一组私钥和公钥。
2. 获得原始XML文件。
3. 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：

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

1. 得到XML文档和公钥。
2. 验证<SignedInfo> 元素的数字签名。
3. 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：

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：

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：

<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：

<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：

<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。

以上就是本次我们给大家整理的内容的全部，感谢大家对我们的支持，如果大家还有不明白的可以在下方留言区讨论。