基于用戶卡的數(shù)字簽名技術(shù)研究

［黎艷 張榮］

基于用戶卡的數(shù)字簽名技術(shù)研究

［黎艷 張榮］

在介紹了數(shù)字簽名技術(shù)及相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了與數(shù)字簽名相關(guān)的智能卡關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，并給出了基于用戶卡的數(shù)字簽名實現(xiàn)方案及其應(yīng)用場景示例。

數(shù)字簽名 智能卡 機(jī)卡通信

黎艷

工程師，中國電信股份有限公司廣東研究院，主要從事移動互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)。

張榮

高工，中國電信股份有限公司廣東研究院，主要從事移動互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)與業(yè)務(wù)、智能管道等研究。

1 背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)/移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各行各業(yè)都發(fā)生了翻天覆地的變化，人們對互聯(lián)網(wǎng)的要求和依賴也越來越多，過去需要人工完成關(guān)鍵交易簽名或印章的業(yè)務(wù)逐漸被電子簽名所代替?；赑KI（Public Key Infrastructure）公鑰體系的數(shù)字簽名技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電子金融、安全辦公、政企商務(wù)等行業(yè)領(lǐng)域。數(shù)字簽名密鑰和證書載體也隨著智能硬件技術(shù)的發(fā)展在不斷變化，從最開始的個人電腦硬盤到USB密鑰棒、加密SD卡以及智能卡等。多功能通用智能卡技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)字簽名技術(shù)可以與安全便攜的用戶手機(jī)卡相結(jié)合。本文從多功能通用用戶卡的角度，闡述數(shù)字簽名在用戶卡上的技術(shù)發(fā)展，并提出合理可行的實現(xiàn)方案。

2 數(shù)字簽名技術(shù)概述

2.1 非對稱加解密技術(shù)

與對稱加密技術(shù)不同，非對稱加密技術(shù)需要一對密鑰來進(jìn)行加密和解密，分別是公開密鑰（Public Key，簡稱公鑰）和私有密鑰（Private Key，簡稱私鑰）。如果使用了公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，那么只有用對應(yīng)的私鑰才能解密，如果用私鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，那么只有用對應(yīng)的公鑰才能解密。

在非對稱加密技術(shù)里面，私鑰是不公開的，由簽名方獨(dú)自持有和保管，公鑰是公開可對外傳播的，如果公鑰可以成功解密（驗簽），那么數(shù)據(jù)的加密方一定是持有對應(yīng)私鑰的，從而可以準(zhǔn)確地進(jìn)行交易溯源。數(shù)字證書則是由證書認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CA）對證書申請者真實身份驗證之后，用CA的根證書對申請人的一些基本信息以及申請人的公鑰進(jìn)行簽名后形成的數(shù)字文件，可以把數(shù)字證書理解成經(jīng)過CA認(rèn)證過的公鑰，數(shù)字證書和公鑰都是公開的。

數(shù)字簽名的簽名和驗簽過程如圖1。

圖1 數(shù)字簽名過程

數(shù)字簽名的簽名和驗簽主要步驟如下：

（1）待簽數(shù)據(jù)明文經(jīng)過哈希算法之后得到定長的摘要信息；

（2）持有私鑰的用戶使用簽名私鑰對摘要數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名，得到簽名結(jié)果的密文；

（3）驗簽后臺獲取該用戶的簽名證書，提取其中的公鑰信息，對傳遞過來的簽名結(jié)果密文進(jìn)行公鑰解密（驗簽）；

（4）公鑰解密（驗簽）之后得到簽名數(shù)據(jù)摘要。驗簽后臺也對同樣的待簽數(shù)據(jù)明文進(jìn)行哈希計算摘要數(shù)據(jù)，對比計算出來的摘要數(shù)據(jù)與驗簽之后的摘要數(shù)據(jù)是否一致，如果一致則表明這個數(shù)字簽名確實來自于簽名私鑰的持有方（用戶、簽名發(fā)送方）。

2.2 數(shù)字簽名相關(guān)算法

（1）摘要算法

算法（又叫雜湊算法、哈希算法、散列算法）可以對任意長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行散列運(yùn)算，生成固定長度的摘要值，當(dāng)原數(shù)據(jù)發(fā)生改動時，所得到的摘要值就會發(fā)生變化，由于散列運(yùn)算多對一的關(guān)系，很多不同的數(shù)據(jù)經(jīng)過散列運(yùn)算變換之后也有可能是相同的，所以散列運(yùn)算是不可逆的。使用摘要算法可以讓大容量信息在進(jìn)行數(shù)字簽名前被散列成定長的保密的格式，而且確保信息傳輸完整性。常見的摘要算法有MD5和SHA-1、SHA-2、SM3，其中SM3是我國特有的國密摘要算法。表1是各種主流摘要算法的對比：

表1 摘要算法對比

（2）非對稱加密算法

除了消息摘要算法，基于公鑰密碼系統(tǒng)的非對稱加密算法也是數(shù)字簽名技術(shù)里必不可少的。非對稱加密算法的密鑰值在同一個過程中生成，稱為公私鑰密鑰對。常見的非對稱加密算法有RSA和ECC，我國特有的國密非對稱算法是SM2。表2是以上3種非對稱加密算法的對比。

表2 非對稱加密算法對比

2.3 數(shù)字簽名應(yīng)用領(lǐng)域

（1）鑒權(quán)

公鑰加密系統(tǒng)允許任何人在發(fā)送信息時使用公鑰進(jìn)行加密；數(shù)字簽名則能夠讓信息接收者確認(rèn)發(fā)送者的身份。

（2）完整性

傳輸數(shù)據(jù)的雙方都總希望確認(rèn)消息未在傳輸?shù)倪^程中被修改。加密使得第三方想要讀取數(shù)據(jù)十分困難，然而第三方仍然能采取可行的方法在傳輸?shù)倪^程中修改數(shù)據(jù)。數(shù)字簽名能確保消息的完整性。因為數(shù)字簽名文件如果發(fā)生改變，數(shù)字摘要值也將發(fā)生變化。

（3）防抵賴

在密文背景下，抵賴這個詞指的是不承認(rèn)與消息有關(guān)的舉動（即聲稱消息來自第三方）。消息的接收方可以出示數(shù)字簽名來證明信息的來源，防止所有后續(xù)的抵賴行為。

數(shù)字簽名廣泛應(yīng)用于包括電子商務(wù)、企業(yè)信息系統(tǒng)、政府及金融保險行業(yè)等方面。尤其是在金融行業(yè)的應(yīng)用，交易額大、安全性要求高的交易必須使用數(shù)字簽名進(jìn)行公證、可信的認(rèn)證。隨著我國《電子簽名法》的實施和推廣，電子商務(wù)和電子政務(wù)將會持續(xù)推動數(shù)字簽名的應(yīng)用。

3 智能卡數(shù)字簽名技術(shù)的發(fā)展

3.1 密鑰載體的發(fā)展

目前，在PC端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下，USB Key簽名認(rèn)證技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，將簽名密鑰和加解密密鑰存儲在USB棒等硬件載體里，可以更安全地保障用戶的密鑰安全。隨著移動智能終端的快速發(fā)展和移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，數(shù)字簽名技術(shù)對密鑰載體提出了新的需求，原有在PC端普遍應(yīng)用的USB Key或者在手機(jī)終端上使用加密SD卡方式在便攜性、易用性和兼容性方面已經(jīng)不再適應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。

隨著智能卡技術(shù)的發(fā)展，多功能通用JAVA SIM卡增加了獨(dú)立的RSA或國密算法的硬件協(xié)處理器，使得運(yùn)算速度和性能都有很大提升；卡片的可存儲空間可以達(dá)到幾百K以上，為多對密鑰對的存儲提供了條件；而對GlobalPlatform規(guī)范的支持使得卡片在訪問控制、文件保護(hù)等方面的鑒權(quán)能力也得到了極大的提高，可以防止攻擊者利用軟件方式竊取卡內(nèi)的機(jī)密信息。基于JAVA通用平臺使得可以很靈活地在卡內(nèi)安裝各種卡應(yīng)用。多功能通用智能JAVA手機(jī)卡具有安全、通用和便捷的特點(diǎn)，是存儲密鑰和數(shù)字證書的理想介質(zhì)。

3.2 智能卡通信技術(shù)發(fā)展

隨著智能卡技術(shù)的發(fā)展，硬件上智能卡的芯片計算能力大大增強(qiáng)，軟件上通用java平臺和虛擬機(jī)技術(shù)使得可以在卡上開發(fā)多個通用程序包。GP（Global Platform）規(guī)范更是解決了應(yīng)用權(quán)限管理機(jī)制、安全域安全策略、卡片生命周期管理等關(guān)鍵問題。在數(shù)字簽名技術(shù)要求的角度，智能卡硬件上增加的RSA協(xié)處理器，終端與SWP卡之間的機(jī)卡通信技術(shù)，以及Global Platform卡應(yīng)用訪問控制技術(shù)，使得在智能卡上實現(xiàn)快速安全的數(shù)字簽名能力成為可能。

（1）Open Mobile API機(jī)卡通信技術(shù)

根據(jù)不同的底層平臺（如Android、J2ME），SIM/ SE訪問API（SIM/Secure Element Access API）向客戶端應(yīng)用程序提供訪問SWP-SIM卡的接口（如Android系統(tǒng)的Open Mobile API和J2ME下的JSR177），實現(xiàn)客戶端應(yīng)用程序與SWP-SIM卡之間的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元交互。如圖2，終端應(yīng)用可以通過Open Mobile API接口與卡內(nèi)的JAVA應(yīng)用進(jìn)行通信交互。

圖2 OMA機(jī)卡接口

（2）應(yīng)用訪問控制技術(shù)

安全訪問控制主要采取Global Platform可信任框架的GPAC（Global Platform Access Control，全局平臺訪問控制）機(jī)制。GPAC由手機(jī)側(cè)訪問控制模塊和用戶卡中的規(guī)則文件構(gòu)成。訪問控制規(guī)則存儲在SIM卡中，手機(jī)終端操作系統(tǒng)依據(jù)SIM卡訪問控制規(guī)則，允許或者拒絕哪些客戶端應(yīng)用可以訪問哪個（或哪些）SIM卡應(yīng)用，也可以定義允許訪問的具體APDU指令。通過GPAC訪問控制技術(shù)，可以嚴(yán)格控制應(yīng)用控件訪問用戶卡應(yīng)用的權(quán)限，使得指定應(yīng)用才有權(quán)限訪問數(shù)字簽名應(yīng)用，充分保證卡內(nèi)數(shù)據(jù)的安全。

4 用戶卡數(shù)字簽名實現(xiàn)方案

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖3為基于用戶卡的數(shù)字簽名系統(tǒng)架構(gòu)與實施方案，主要功能模塊如下：

（1）數(shù)字簽名卡應(yīng)用：具備證書管理、數(shù)字簽名、非對稱加解密、密鑰管理、認(rèn)證信息交互等能力；

圖3 用戶卡數(shù)字簽名系統(tǒng)架構(gòu)

（2）PKI安全插件：適配機(jī)卡通道和短信通道，手機(jī)客戶端應(yīng)用可以通過調(diào)用PKI安全插件，將待簽名數(shù)據(jù)通過插件傳給用戶卡，實現(xiàn)用戶卡PKI數(shù)字簽名能力調(diào)用；

（3）PKI認(rèn)證平臺：處理PKI加密短信，向CA機(jī)構(gòu)申請公鑰證書，驗證數(shù)字簽名等。

4.2 業(yè)務(wù)場景及流程

在用戶卡內(nèi)進(jìn)行數(shù)字簽名的流程如圖4。

圖4 用戶卡數(shù)字簽名流程

數(shù)字簽名主要流程如下：

（1）如果移動終端是支持OMA機(jī)卡通道

① 應(yīng)用客戶端則通過機(jī)卡接口向數(shù)字簽名PKI卡應(yīng)用發(fā)送待簽名數(shù)據(jù)；

② 卡應(yīng)用校驗用戶個人碼之后使用卡內(nèi)存儲的私鑰進(jìn)行簽名，并向應(yīng)用客戶端返回簽名結(jié)果；

（2）如果移動終端不支持OMA機(jī)卡通道

① 通過認(rèn)證平臺向卡片下發(fā)數(shù)字簽名指令短信；

② 卡片接收到短信之后彈出UTK窗口校驗用戶個人碼，使用卡內(nèi)私鑰進(jìn)行簽名，并向認(rèn)證平臺返回簽名結(jié)果上行短信。

本方案支持各種應(yīng)用客戶端的融合認(rèn)證，除了可以用于移動終端應(yīng)用之外，還可以用于PC或TV應(yīng)用，以用戶在PC應(yīng)用上的數(shù)字簽名場景為例，如圖5。

圖5 PC應(yīng)用場景的用戶卡數(shù)字簽名

5 結(jié)束語

智能卡和智能終端技術(shù)的發(fā)展使得在用戶卡上實現(xiàn)數(shù)字簽名技術(shù)能力成為可能。這種技術(shù)具有安全、便捷的特點(diǎn)，而且適用于多種終端（如手機(jī)APP、PC APP等）的應(yīng)用場景。隨著互聯(lián)網(wǎng)+的蓬勃發(fā)展以及人們對安全隱私保護(hù)意識的增強(qiáng)，基于用戶卡的數(shù)字簽名技術(shù)將是實現(xiàn)安全移動身份認(rèn)證比較好解決方案選擇，在當(dāng)前各行各業(yè)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)化轉(zhuǎn)型升級過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 胡博，嚴(yán)斌峰，仇劍書等.基于SIM卡的金融應(yīng)用移動數(shù)字簽名業(yè)務(wù)研究.電信科學(xué),2015,157:1-6

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.11.017

（2016-11-08）