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：
- 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：
<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：
- 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：
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：
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。
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