信息安全之电子签名技术的实现

滨江学院

课程论文

题目数字签名的发展

院系计算机系

专业软件工程（动画方向）学生姓名陈婷

学号20092358009

指导教师朱节中

职称副教授

二Ｏ一二年五月二十日

数字签名的发展

陈婷

南京信息工程大学滨江学院软件工程（动画方向），南京210044

摘要：

数字签名是电子商务安全的一个非常重要的分支。随着电子商务的发展，电子签名的使用越来越多。实现电子签名的技术手段有很多种，但比较成熟的、世界先进国家目前普遍使用的电子签名技术还是基于PKI的数字签名技术。

关键词：

数字签名信息安全电子商务

1引言

1.1 研究背景

在当今信息社会,计算机网络技术得到了突飞猛进的发展。计算机网络日益成为工业、农业和国防等领域的重要信息交换手段,并逐渐渗透到社会的各个领域。在现实生活中,人们常常需要进行身份鉴别、数据完整性认证和抗否认。身份鉴别允许我们确认一个人的身份;数据完整性认证则帮助我们识别消息的真伪、是否完整;抗否认则防止人们否认自己曾经做过的行为。随着无纸化办公的发展,计算机网络的安全越来越受到重视,防止信息被未经授权的泄漏、篡改和破坏等都是亟待解决的问题。在Internet上,数字签名作为一项重要的安全技术,在保证数据的保密性、完整性、可用性、真实性和可控性方面起着极为重要的作用。同时由于信息技术的发展及其在商业、金融、法律等部门的普及, 数字签名技术又面临着新的挑战。

1.2 开发意义

数字签名是实现电子交易安全的核心技术之一，它在实现身份认证、数字完整性、不可抵赖性等功

能方面都有重要应用。尤其是在密钥分配、电子银行、电子证券、电子商务和电子政务等许多领域有重要

的应用价值。

2相关技术介绍

2.1PKI/CA 技术的介绍

PKI 就是公开密钥基础设施。它是利用公开密钥技术所构建的，解决网络安全问题的，普遍适用的一种基础设施。公开密钥技术也就是利用非对称算法的技术。说PKI 是基础设施，就意味着它对信息网络的重要。PKI 通过延伸到用户本地的接口，为各种应用提供安全的服务，如认证、身份识别、数字签名、

加密等。

PKI 中最基本的元素就是数字证书。所有安全的操作主要通过证书来实现。PKI 的硬设备还包括签置这些证书的证书机构(CA) ，登记和批准证书签置的登记机构(RA) ，以及存储和发布这些证书的电子目录。PKI 中还包括证书策略，证书路径以及证书的使用者。所有这些都是PKI 的基本元素。许多这样的基本元素有机地结合在一起就构成了PKI 。

2.2CA 机构

CA 机构，又称为证书授证(Certificate Authority) 中心，是一个负责发放和管理数字证书的权威机构, 它作为电子商务交易中受信任的第三方，承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任。CA 中心为每个使用公开密钥的用户发放一个数字证书，以实现公钥的分发并证明其合法性。数字证书是一个经证书授权中心数字签名的包含公开密钥拥有者信息以及公开密钥的文件, 作用是证明证书中列出的用户合法拥有证书中列出的公开密钥。

CA 机构的数字签名使得攻击者不能伪造和篡改证书。在SET 交易中，CA 不仅对持卡人、商户发放证书，还要对获款的银行、网关发放证书。它负责产生、分配并管理所有参与网上交易的个体所需的数字证书，因此是安全电子交易的核心环节。

2.3公钥密码技术原理

公钥算法利用的是非对称的密钥，即利用两个足够大的质数与被加密原文相乘产生的积来加/解密。这两个质数无论是用哪一个与被加密的原文相乘（模乘），即对原文件加密，均可由另一个质数再相乘来进行解密。但是，若想用这个乘积来求出另一个质数，就要进行对大数分解质因子，分解一个大数的质因子是十分困难的，若选用的质数足够大，这种求解几乎是不可能的。因此，将这两个质数称密钥对，其中一个采用私密的安全介质保密存储起来，应不对任何外人泄露，简称为“私钥”；另一个密钥可以公开发表，用数字证书的方式发布在称之为“网上黄页”的目录服务器上，用LDAP协议进行查询，也可在网上请对方发送信息时主动将该公钥证书传送给对方，这个密钥称之为“公钥”。

公/私密钥对的用法是，当发方向收方通信时发方用收方的公钥对原文进行加密，收方收到发方的密文后，用自己的私钥进行解密，其中他人是无法解密的，因为他人不拥有自己的私钥，这就是用公钥加密，私钥解密用于通信；而用私钥加密文件公钥解密则是用于签名，即发方向收方签发文件时，发方用自己的私钥加密文件传送给收方，收方用发方的公钥进行解密。

3.数字签名的基本概念

3.1 数字签名的定义

数字签名（又称公钥数字签名、电子签章）是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公

钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签

名，另一个用于验证。

数字签名就是附加在数据单元上的一些数据，或是对数据单元所作的密码变换。这种数据或变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元的来源和数据单元的完整性并保护数据，防止被人(例如接收者)进行伪造。它是对电子形式的消息进行签名的一种方法，一个签名消息能在一个通信网络中传输。基于公钥密码体制和私钥密码体制都可以获得数字签名，目前主要是基于公钥密码体制的数字签名。包括普通数字签名和特殊数字签名。普通数字签名算法有RSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou- Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir 数字签名算法、DES/DSA，椭圆曲线数字签名算法和有限自动机数字签名算法等。特殊数字签名有盲签名、代理签名、群签名、不可否认签名、公平盲签名、门限签名、具有消息恢复功能的签名等，它与具体应用环境密切相关。

3.2 数字签名的基本要求

身份鉴别允许我们确认一个人的身份;数据完整性认证则帮助我们识别消息的真伪、是否完整;抗否认则防止人们否认自己曾经做过的行为。数字签名技术用来保证信息的完整性。“数字签名”是通过一个单向函数对要传送的报文进行处理后得到的，用以认证报文来源并核实报文是否发生变化的一个字母数字串。数字签名可以解决否认、伪造、篡改及冒充等问题。类似于手书签名，数字签名也应满足以下基本要求：

1）收方能够确认或证实发方的签名，但不能伪造签名。

2）发方向收方发出签名的消息后，就不能再否认他所签发的消息，以保证他不能抵赖之前的交易行为。

3）收方对已收到的签名信息不能否认，即有收报认证。

4）第三者可以确认收发双方之间的信息传递，但不能伪造这一过程。

3.3 数字签名的原理

数字签名是解决网络通信中特有安全问题的一种有效方法，它能够实现电子文档的辨认和验证，在保证数据的完整性、私有性、不可抵赖性方面起着极其重要的作用。为了实现网络环境下的身份鉴别、数据完整性认证和抗否认的功能。

数字签名应满足以下要求：

1．签名者发出签名的消息后，就不能再否认自己所签发的消息；

2．接收者能够确认或证实签名者的签名，但不能否认；

3．任何人都不能伪造签名；

4．第三方可以确认收发双方之间的消息传送，但不能伪造这一过程，这样，当通信的双方关于签名的真伪发生争执时，可由第三方来解决双方的争执。

对于一个典型的数字签名体系而言，它必须包含2个重要的组成部分:即签名算法和验证算法。为了满足上述4点要求，数字签名体系必须满足2条基本假设：

1．签名密钥是安全的，只有其拥有者才能使用;

2．使用签名密钥是产生数字签名的唯一途径。

数字签名的基础是密码技术，其大致思想就是在传输文件(明文或密文)的同时附带一个“签名”，这个“签名”是用此文件作者的密钥把文件或者由其产生的一段文档加密而得。其中采用的加密算法大致分为两类，对称加密和非对称加密。对称加密中使用的一对密钥本质相同，所以通信前双方必须通过安全途径交换密钥，否则任何一方的密钥泄露，另外一方也毫无安全可言。同时，其密钥的管理随着用户的增加呈平方级数增长。而非对称加密使用的一对密钥(公共密钥和私有密钥)互不相同且不能由一个推出另外一个。用自己的私钥对信息的数字摘要签名，将其发送给对方时，如果对方能够使用发送者的公钥来验证信息，他就能确定信息是从你那里发来的。

密钥对中的私有密钥只有密钥对的所有者才知道，从而可以作为其所有者的身份特征。公共密钥的管理可以由专门的仲裁中心负责，其复杂程度随用户的增加呈线性增长。鉴于以上两点，采用非对称加密算法签名更好，但其加密的运算复杂度和速度比对称加密慢得多，所以采用非对称加密算法签名常常是对文件由哈希函数所产生的数字摘要进行的。

数字签名算法依靠公钥加密技术来实现的。在公钥加密技术里，每一个使用者有一对密钥：一把公钥和一把私钥。公钥可以自由发布，但私钥则秘密保存；还有一个要求就是要让通过公钥推算出私钥的做法不可能实现。

3.4 数字签名的作用

网络的安全，主要是网络信息安全，需要采取相应的安全技术措施，提供适合的安全服务。数字签名机制作为保障网络信息安全的手段之一，可以解决伪造，抵赖，冒充和篡改问题。数字签名的目的之一，就是在网络环境中代替传统的手工签字与印章，其可抵御的网络攻击主要有:

1) 防冒充(伪造)。其他人不能伪造对消息的签名，因为私有密钥只有签名者自己知道，所以其他人不可以构造出正确的签名结果数据。显然要求各位保存好自己的私有密钥，好像保存自己家门的钥匙一样。

2) 可鉴别身份。由于传统的手工签名一般是双方直接见面的，身份自可一清二楚;在网络环境中，接受方必须能够鉴别发送方所宣称的身份。

3) 防篡改(防破坏信息的完整性)。传统的手工签字，假如要签署一本200 页的合同，是仅仅在合同末尾签名呢还是对每一页都有签名，不然，对方会不会偷换其中几页这些都是问题所在。而数字签名，如前所述:签名与原有文件已经形成了一个混合的整体数据，不可能篡改，从而保证了数据的完整性。

4) 防重放。如在日常生活中， A 向B 借了钱，同时写了一张借条给B ;当A 还钱的时候，肯定要向

B 索回他写的借条撕毁，不然，恐怕他会再次挟借条要求A 再次还钱。在数字签名中，如果采用了对签名报文添加流水号，时戳等技术，可以防止重放攻击。

5) 防抵赖。如前所述，数字签名可以鉴别身份，不可能冒充伪造，那么，只要保存好签名的报文，就好似保存好了手工签署的合同文本，也就是保留了证据，签名者就无法抵赖。以上是签名者不能抵赖，那如果接受者确已收到对方的签名报文，却抵赖没有收到呢？要预防接受者的抵赖，在数字签名体制中，要求接受者返回一个自己签名的表示收到的报文，给对方或者是第三方，或者引入第三方机制。如此操作，双方均不可抵赖。

6) 机密性(保密性)。有了机密性保证，截收攻击也就失效了。手工签字的文件(如合同文本)是不具备保密性的，文件一旦丢失，文件信息就极可能泄露。数字签名，可以加密要签名的消息。当然，签名的报文如果不要求机密性，也可以不用加密。

4.数字签名技术

4.1 RSA签名方案

设n = pq，其中p和q是大素数。定义K={(n,p,q,a,b)|n=pq}，p 和q为素数，ab ≡1(mod (n))}。值n 和b 为公钥，值p,q和a为私钥。对K={(n,p,q,a,b)}，定义：sigk(x) = xa(mod n)

verk(x, y) = trie<=>x≡y b(mod n)。Alice 使用RSA 解密函数Dk 为x 消息签名，因为Dk=sigk是保密的，所以只有Alice 能够产生这一签名，而验证算法使用RSA 加密函数Ek。因Ek 是公开的，所以任何知道Ek 的人都能验证该签名。

4.2ElGamal签名方案

ElGamal算法既可用于数字签名又可用于加密，其安全性依赖于计算有限域上离散对数的难度。设P是一

个素数，两个随即数g和x，要求g，x

)

(mod p

g x,则其公钥为y,g和p,私钥是x.g和p可由一

组用户共享。假定被加密信息为M，首先选择一个随机数k，k与p-1互质，计算

a=

)

(m od p

g k,b=)

(mod p

M

y k.(a,b)为密文，是明文的两倍长。解密计算M=b/)

(mod p

a x。

5.数字签名技术的发展

随着Internet 和电子商务的迅猛发展,数字签名已成为Internet 和电子商务中必不可少的安全处理技术,为了适应特定领域对数字签名的特殊需求,新的数字签名方案不断提出,总的来说,数字签名技术的发展方向主要有以下几个方面:

5.1高效、安全的数字签名算法

这一方向主要通过研究新的数字签名算法,使其拥有更高的运行效率,更好的安全强度,较短的传输长度和简单、易于实现的算法过程。当前,这方面的研究集中在利用椭圆曲线和离散对数等数学理论的公钥加密算法及其签名算法方面。以椭圆曲线上的有理点构成的阿贝尔群为基础建立的椭圆曲线密码体制是一种基于代数曲线的公钥密码体制。它具有“短密钥,高安全性”的特点,这使得与其它密码体制相比,椭圆曲线密码体制在同等安全强度下可以使用长度小得多的密钥及分组长度。与其它密码编码体制相比,椭圆曲线密码体制不是建立在超大整数分解及素域乘法群离散对数问题等数学难题之上,而是建立在更难的椭圆曲线离散对数问题之上,因而椭圆曲线密码体制及相关的数字签名算法引起了人们广泛的兴趣,成为研究的热点。

5.2收方不可否认数字签名

在普通的数字签名方案中,发送者是不能否认自己曾经发送过的消息,而对接收方却没有任

何约束,这样,就可能存在2 种情况:

1) 接收方已经阅读了消息,事后却否认自己曾接收过该消息;如接收方接收,并阅读到了一条对自己不利的消息,然后,将它销毁,并否认自己曾经接收过该消息。

2) 接收方故意拖延阅读时间,以作出对自己更有利的决定。

为解决这一问题,一般需进行多次密钥交换和通信过程,并引入可信第三方作为仲裁人,记录双方通信的时间和阅读情况,以确定责任归属。

5.3盲签名

一般情况下,人们总是先知道文件的内容,然后再进行签名。而在某种情况下,用户需要让签

名者对明文消息文件进行数字签名,而又不希望签名者知晓明文消息文件的具体内容,这就需要盲数字签名,简称盲签名(Blind Signature) 。盲签名是一种特殊的数字签名方法,相对于一般的数字签名而言还应当具有下列3 个特性:

1) 签名者不能看到明文消息;

2) 认证者不能看到明文消息,只能通过签名来确认文件的合法性;

3) 无论是签名者,还是认证者,都不能将盲签名与盲消息对应起来;

在上面提到的“收方不可否认数字签名”方案中,也需要由可信第三方对双方的通信进行担保,但又不希望其获知通信的具体内容,这时,就需要用到盲签名。总之,盲签名具有消息内容的保密性以及盲签名与原消息的概率无关等特征,较好的保护了消息通信的隐私,具有较为广泛的应用,目前,它主要用于基于Internet 的匿名金融交易,如匿名电子现金支付系统、匿名电子拍卖系统等系统中。

5.4 门限签名

在某些情况下,需要由一组用户来进行数字签名,这种情况下的数字签名被称为“门限签名”或“群签名”(Threshold Signature) 。门限签名的生成必须由多个成员合作才能完成,但验证只需要知道群体的公开密钥即可进行。

6.数字签名过程

将数字签名用发送方的私有密钥进行加密，会同密文一起发送给接受方，接受方用发送方的公开密钥对数字签名进行解密，若解密出的数字签名与其计算出的相同，则可确定发送方的身份是真实的。这样只要拥有发送方的公开密钥的人都能够验证数字签名的正确性，而只有真正的发送方才能发送这一数字签名，这也就完成了对发送方身份的鉴别。这就符合了签名的唯一性、不可仿冒和不可否认三大特征。目前，用于数字签名的公开密钥密码算法，一般选用RSA算法。

5.数字签名的安全性

一个理想的数字签名协议至少需要具有如下特征：

(1) 签名是真实的。签名使文件的接收者相信签名者是慎重地在文件上签字的。

(2) 签名对选择明文的攻击具有不可伪造性，即B获得了A的签名，却不能用A的签名对其他消息伪造签名。

(3) 签名不可重用。签名是文件的一部分，不法之徒不可能将签名转移到不同的文件上。

(4) 签名的文件不可改变。签名后，文件不能改变。

(5) 签名不可抵赖。签名后，签名者不能声称没有签过名。

7.数字签名存在的问题和分析

7.1数字签名存在的问题

1、标准化问题: 在数字签名中, 只有标准的才是通用的, 只有通用的才有生命力。而目前标准的制定者除了IETF、ITU 和RSA Security主要的三家外, 还有许多组织( 如公司、研究所、政府机构) 也参与到新的IETF RFC 的开发中, 这使得制定统一的标准更加困难。

2、信任问题: 认证权威机构CA 的主要功能是发行、管理和撤消证书。证书的持有者和使用者都必须信任发行这些证书的CA。然而,什么CA 才是可信任的呢? 这是一个很重要的问题。目前的认证信任模型都是基于认证链的, 认证链的根即根认证权威机构( rootCA) 凭什么可以信任? 此外, 由于PKI 往往是多个并行的, 它们之间进行互连,无论是分层PKI 的根CA 或网格中的任何CA 都必须使用桥CA( bridge CA) 进行交叉认证, 那么又凭什么相信桥CA 呢?

3、标识和认证问题: 用户认证在数字签名中主要通过密钥认证来进行, 认证方式有二。一是采用不明确的方式, 如使用口令对加密过的密钥进行解密操作; 二是采用明确的方式, 如在智能卡中使用PIN。无论采用何种方式, 进行签名之前, 都要明确其对应的应用, 这就要求在进行多个签名时需要多次认证才能获得多个认可, 这是安全需要的, 却是很不方便的。若采用智能卡进行认证, 当用户没有携带智能卡时还是需要额外的口令方式的数字签名。而且, 即使携带智能卡, 也还需要相应的读卡设备, 这对于出差在外还是不方便。

4、文档展示问题: 当用户授权实施签名时, 该用户依赖于系统组件来确保被签名对象与用户要签的对象是对应的, 而不是该对象的一个变体或另外一个完全不同的对象, 或者叫“所见即所签”往往用户看到的内容与实际内容是有出入的。

5、注册认证问题: 为确保用户身份真实性, 要求欲注册证书者携带有效身份到当地的CA 或RA 办理手续, 这对不在CA 或RA 所在地的用户是不太方便的。为解决此问题, 可以申请网上注册, 然而网上注册有两大问题: 一是如何确保用户的身份不做假, 二是如何确保用户的申请数据没有被篡改或出现传输错误。即, 如何确保用户的身份正确或CA 所收到的公钥的确是代表用户认证的。这依赖于一个安全的注册过程, 而这个过程应该如何建立, .NET 技术的出现是否能给解决这问题带来曙光?

6、群签名: 群签名方案允许组中合法用户以用户组的名义进行签名, 具有签名者匿名、只有权威才能辨认签名者等多种特点, 有着广泛应用。目前最常用的群签名方案有K- P-W 可变群签名方案、LC 群签名方案和T- J 群签名方案。但是, 这些方案都存在弱点, 如K- P-W群签名方案, 攻击者可以对参数n 进行素因子分解、GC 可以将组成员的有效签名转换为组中其他组成员的有效签名, 此外, 还存在GC 在签名过程中和身份验证过程中的伪造。此外, 还有隐形签名、确认者签名、团体签名等, 有应用需求, 但技术实现还处在“初级阶段”。

7、生物统计学。这可能是实现用户认证的最强大的方法, 主要包括: 指纹扫描、视网膜扫描和虹膜扫描、语音识别、面部识别等。生物统计因子不会被丢失或窃取, 或者被遗忘, 然而, 它容易出现个人身体属性的误拒绝、个人身体属性的误接受和无法登记个人的身体属性。目前要使用生物统计学认证, 一是技术还不够成熟, 二是太昂贵, 这也将影响数字签名的推广。

7.2解决数字签名存在问题的策略

1.大力发展先进的、具有自主知识产权的信息技术，建立一个完整的信息网络安全体系。

2.数字签名技术仍需进一步完善，大力改进数字签名内在的安全技术措施，如生成和验证数字签名的工具需要完善，只有用SSL（安全套接层）建立安全链接的Web浏览器，才会频繁使用数字签名。

3.确定CA认证权的归属问题尤为关键。数字签名的第三方认证由依法设立的电子认证服务提供者提

供认证服务。需要第三方认证的数字签名应由依法设立的电子认证服务提供者提供认证服务。由于公共密钥的存储需要，所以需要建立一个鉴定中心（CA），来完成个人信息及其密钥的确定工作。鉴定中心是一个政府参与管理的具有可信赖性的第三方成员，以便保证信息的安全和集中管理。

8.数字签名的前景展望

数字签名技术是确保数字签名安全, 解决电子记录效力的最有效技术工具, 而且也被认为是一种具有广泛应用前景的技术。数字签名是未来信息安全发展的潮流，不断完善数字签名的基础设施环境和法律、技术问题，自然成了目前发展数字签名的当务之急。

9.总结

本文主要介绍了数字签名技术，以及数字签名技术的原理、发展、过程、以及其安全性。提供身份认证，确保信息传输的机密性和完整性，有效防止了各种网络信息中的安全隐患。数字签名已成为信息社会中人们保障网络身份安全的重要手段之一。

参考文献：

1．《面向群体的数字签名机制研究》，贾晓芸，北京邮电大学，2008

2.《具有特殊性质的数字签名体制研究》，黄振杰，西安电子科技大学，2004

3.《几种数字签名方案简介》，2008，《网络技术安全与应用》，晋幼丽，北京师范大学

4.《数据加密和数字签名技术在局域网中的应用》，A，2004，《计算机应用研究》，李如忠

5..《数字签名技术的发展》，2003《交通与计算机》，肖攸安，李腊元，武汉理工大学

6.《数字签名技术及其发展动态》，A,2000《计算机应用研究》，蒋艳凰, 白晓敏, 杨学军,国防科技大学