维普资讯 http://www.cqvip.com 计算机科学２００７Ｖｏ１．３４ＮＱ．１０ 一种基于数字加密与信息隐藏的电子签名技术改进方案 周启海黄涛张乐 （西南财经大学经济信息工程学院 成都６１００７４） 摘要阐述了电子商务系统的安全性需求，以及作为安全保障中必不可缺的电子签名关键技术的实现过程；指出现 行电子签名实现过程中存在的不足；给出了基于数字加密与信息隐藏相结合的电子签名技术改进思路及几种实现方 案；提出了用“安全／速度比”数字签名强度理论指导签名技术方案选择的创新思想；指出了电子商务安全技术的发展 方向。 关键词电子商务，电子签名，数字加密，信息隐藏，安全／速度比，数字签名强度 Ａｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｅ－ｓｉｇｎａｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｈｉｄｉｎｇ ＺＨＯｌｄ Ｑｉ－Ｈａｉ ＨＵＡＮＧ Ｔａｏ ＺＨＡＮＧ Ｌｅ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｉｎａｎｃｅ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００７４） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ａｎ ｅ－ｃｏｍｍｅｒｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｎ ｅ－ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ ａｓ ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ￣ｔｈｅ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅ－ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｒｅａｌｉ— ｚｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ Ｏｕｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈｉｄｉｎｇ，ａｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｒｅａｌｉ— ｚｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｅ－ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ａｒｅ ｇｉｖｅｍ ａ ｃｒｅａｔｉｖｅ ｎｅｗ ｉｄｅａ ｔＯ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｅ－ｓｉｇｎａ— ｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｃｈｅｍｅｓ ｗｉｔｈ ａ“ｓａｆｅｔｙ／ｓｐｅｅｄ ｒａｔｉｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｇｎ ｄｉ— ｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｅ－ｃｏｍｍｅｒｃｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｅ—ｃｏｍｍｅｒｃｅ，Ｅ－ｓｉｇｎａｔｕｒｅ，Ｄｉｇｉｔａｌ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈｉｄｉｎｇ，Ｓａｆｅｔｙ／ｓｐｅｅｄ ｒａｔｉｏ，Ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ １ 引言 （１）通信过程必须保证交易数据完整。 （２）提供对通信双方的身份认证机制，确保电子商务交易 计算机技术、通信技术、网络技术（尤以］ｎｔｅｒｎｅｔ为代表） 双方身份的可靠性和合法性。例如：①实现系统对用户身份 的迅猛发展与广泛应用，对传统工作方式和商务模式产生了 的有效确认；②对私有密钥和口令进行有效保护；③对非法攻 巨大冲击，也促成了电子商务方式、模式、系统的应运而生。 击能实时防范；④防止假冒身份在网上交易、诈骗，等等。 电子商务，比传统商务模式具有便捷、低成本、更高效的优势， （３）确保商务信息的保密性。例如：怎样保证用户的信用 这使它在如今经济贸易中的作用越来越重要，影响越来越深 卡号不被窃取、如何保证货源订单等信息不被竞争对手获悉 广。但也应清醒地看到，社会各界关注热点和研究课题之一 等等。 是“当今世界通过电子商务渠道完成的贸易额为什么仍只占 （４）电子商务系统应防止对交易信息的随意改动，防止数 同期全球贸易额的一小部分？”，其所以如此的一个基本原因， 据传输过程中交易信息的丢失和重复，并保证信息传递次序 就是电子商务系统安全已成为制约电子商务发展的核心问题 和内容的统一。 和主要瓶颈之一。显然，电子商务系统高度依赖计算机网络 （５）保证电子订单等商务信息的不可否认性。即：电子商 技术，而互连网所具有的自由、开放则不可避免地使电子商务 务系统应能有效防止商业欺诈行为，保证商业信用和行为的 系统面临着网上各种各样的安全隐患与威胁。为了有效保障 不可否认性，保证交易各方对已做交易无法抵赖，等等。 商务各方正当权益，人们理所当然地迫切要求电子商务系统 必须具有高可靠性、强安全性，以确保所传输商务数据的完整 ３数字签名定义及实现过程 性、安全性、及时性、私密性、不可否定性。数字签名技术作为 实现电子商务信息保密的最基本方法是数据加密，但是 电子商务交易中验证身份真伪以及交易不可否认的核心技 要确保电子交易的不可否认性、交易双方身份的确认性和订 术，是电子商务安全性保障的重要组成部分，正越来越受到社 单的不可修改性，仅仅依靠数据加密是解决不了的。在传统 会各界的广泛关注。 交易过程中，通常交易双方采用亲自手书签名（包括：手写或 ２ 电子商务系统安全控制的基本要求 盖章）来保证文件的可靠性及法律效力。如果通过网络进行 交易，就需要设计一种能够代替交易双方亲自手书签字的方 电子商务系统的安全控制（包括电子签名） ，其基本 案，使签字的文件从一方通过网络安全地传送到另一方。这 要求是： 就需要所谓的数字签名技术。 周启海教授，博（硕）士生导师，主要研究方向：财经计算，算法研究与应用，计算几何，同构化信息处理等 黄涛讲师，主要研究方向：计算 机应用 张乐硕士研究生，主要研究方向：电子商务，计算机应用。 ・ １１２ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ３．１数字签名定义 数字签名是相对于手书签名而言的，签名主要起到认证、 核准和生效的作用，是指采用一定的数据交换协议，使用密码 ４数字签名存在的问题及改进 ４．１数字签名存在的问题及信息隐藏技术简介 算法对待附加在交易信息上的一些数据，或是对交易信息所 作的密码变换 这种数据和变换允许交易信息的接收者用以 确认交易信息来源和交易信息的完整性，并保护交易信息，防 止被人（例如对方接收者）进行伪造。数字签名是一种基于加 应当看到：上述简易数字签名实现过程中，存在着“拦截 窃读”的隐患——由于发送方是把数字签名和明文一齐发送 给接收方，而明文却没有采取任何加密措施；故该数字签名过 程虽可认证发送方身份的真实性、防止其抵赖以及检测明文 被篡改，倘若传输途中有第三方进行拦截窃读（即只是读取明 文内容而不对明文做任何篡改），则明文中所含的消息就会泄 露，而收、发双方可能对“明文已被非法读取”毫不知情，从而 密技术的信息认证技术，它作为电子商务安全性保障的重要 组成部分，必须满足下述基本特性： （１）不可伪造性，即数字签名只能由发送方自己签发，其 他任何人都不能伪造出发送方的数字签名，这有利于保护发 送方的权益。 （２）不可否认性，即接收方收到数字签名后能够确认该签 名是由发送方签发的，同时发送方不能否认发送消息给接收 方。 （３）不可篡改性，即一旦有第三方截获并篡改了消息，接 收方能够轻易地检验出来。 （４）不可重用性，即保证消息是新的，而不是已用过的消 息的重用，若重用旧消息时，发送方和接收方都能检验出来， 这就要求数字签名具有自毁功能。 （５）可鉴别性，即一旦发、送双方发生争议时，第三方（仲 裁机构）能够凭借发送方的消息，通过一个公开的验证算法， 来验证数字签名是否为发送方签发的。 ３．２数字签名的现行过程 消息摘要是数字签名的基础。单向杂凑函数（ＨＡＳＨ函 数）是生成消息摘要的快速加密算法。单向杂凑函数并不使 用密钥，它只是一个比较复杂的公式，但它可以将任何长度的 明文转化为一个消息摘要——１６位的字符串。这样，无论用 户输入多少字符所构成的串，最后得到的总是１６位的一个 串，从而使每一条明文产生一个随机的消息摘要。据此，简易 数字签名的实现过程［３ ］，可概述为（如图１所示）： 广 ‘ Ｉ ．ｌ ｉ … ｉ… … Ｉ‘ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ 图１简易数字签名实现过程示意图 （１）发送方随机生成一个消息摘要。 （２）发送方用自己的私钥对消息摘要进行加密，生成发送 方的一个数字签名。 （３）发送方将数字签名和明文发送给接收方。 （４）接收方收到消息后：①接收方用发送方的公钥对数字 签名进行解密得到消息摘要；如果能够解开，说明该明文确实 是发送方发送的，从而验证了发送方身份的真实性。②接收 方再用相同的ＨＡＳＨ函数对明文进行计算得到消息摘要，并 与第①步解密得到的发送方的消息摘要作比对：如果相同，则 说明所收到该明文为真原文（即在传送途中没有被篡改或伪 造），否则为假原文，从而实现了收、发双方消息传递完整性的 监控。 给收、发双方带来巨大损失。 简易数字签名的这种拦截窃读隐患，可通过对明文进行 加密来解决。然而现行加密方式的不可破解是靠密钥长度来 保证的。随着计算机运算速度的不断提高，攻击方完全有可 能通过穷举算法破解出密文，并且现行加密方式存在一个致 命弱点，即密文存放的位置比较明显，容易引起攻击方的注 意，从而引起其攻击。对于加密方式存在的这种致命隐患，我 们可以通过信息隐藏技术加以解决。 传统的密码编码学研究的是如何将明文通过一定的算法 形成不为外人所识别的密文，然后进行传输；而信息隐藏技术 研究的是如何将一段秘密信息隐藏于一段公开的信息（载体 信息）中，然后通过载体信息的传输来实现秘密信息的传输。 密码编码学与信息隐藏技术都用于秘密通信，但两者之间存 在明显差别。前者传输的信息一旦被攻击方截获并被解密， 则密文完全变成明文；后者在传输途中即使信息被截获，由于 信息隐藏技术隐蔽性强的特点，攻击方往往很难从公开信息 的表面发觉有秘密信息隐藏于其中，从而更谈不上提取其中 的秘密信息了。这样，无异于后者比前者多了一层强化保护， 使得秘密信息由“看不懂”变为“看不见”，从而大大提高了信 息传输的安全性。 信息隐藏系统的一般模型可概述为（如图２所示）＿６］： （１）密钥生成器生成嵌入密钥以及提取密钥（两个密钥是 相同或相关的）。 （２）发送方通过嵌入密钥将秘密信息嵌入到载体信息中 形成隐藏载体。 （３）发送方将隐藏载体发送给接收方。 （４）接收方接收到隐藏载体后通过提取密钥将秘密信息 提取出来。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一１ 图２信息隐藏系统的一般模型 在上述信息隐藏模型中可以看到，如果我们仅局限于用 已知的信息隐藏算法对秘密信息进行隐藏，一旦攻击方截取 到隐藏载体，在不知道密钥的情况下，只要使用已知的信息隐 藏算法对其进行蛮力攻击，秘密信息完全有可能被提取出来。 如果我们在隐藏信息前对秘密信息进行置乱处理，使得秘密 信息失去其原来面目，则其安全性就会提高许多。即使秘密 信息被提取出来也会由于其是杂乱无章的“图书”，而使得攻 击方无法分辨出在置乱处理前的原秘密信息的具体内容。但 ・ 】】３ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 也正由于经过置乱后的秘密信息是杂乱无章的，容易引起攻 称密钥）。 击方的注意，因此，我们使用信息分存技术，将经过置乱处理 （４）发送方使用嵌入密钥以及信息分存技术将置乱签名、 后的秘密信息随机分布在载体信息中，使得攻击方难以从视 加密过的明文、密化对称密钥随机隐藏于载体信息中，得到隐 觉上发现有秘密信息隐藏于其中，降低攻击方的注意，减少遭 藏载体；然后，将隐藏载体发送给接收方。 受攻击的可能性，从而很大程度上提高了秘密信息传送的安 （５）接收方收到发送方信息后： 全性。 ①接收方通过提取密钥将隐藏载体中的秘密信息提取出 ４．２高强度数宇签名方式 来。 简易数字签名所存在的种种隐患，可通过对明文进行加 ②接收方将置乱签名进行还原，得到发送方的数字签名。 密、并与信息隐藏技术相结合的方法来解决。一种可行的全 ③接收方用发送方公钥对其数字签名进行解密，得到消 密数字签名解决方案，可设计如下（如图３所示）： 息摘要；如果能够解开，说明该明文确实是发自于发送方，从 （１）发送方随机生成一个消息摘要；用发送方私钥对消息 而验证了发送方身份的真实性。 摘要进行加密，生成发送方的数字签名。 ④接收方用己方私钥，解密已经过发送方加密的对称密 （２）发送方对数字签名进行置乱处理得到置乱签名。 钥，得到发送方的对称密钥。 （３）发送方再随机生成一个对称密钥，用此对称密钥对明 ⑤接收方用发送方的对称密钥解开密文，从而得到明文。 文进行加密，并用接收方公钥加密该对称密钥（称之为密化对 图３全密数字签名实现过程示意图 ⑥接收方再用相同的ＨＡＳＨ函数对明文进行计算得到 （１）发送方随机生成一个消息摘要；用自己的私钥对消息 消息摘要，并与第①步解密得到的发送方的消息摘要作比对： 摘要进行加密，生成发送方的数字签名。 若完全相同，则说明该明文在传送途中没有被篡改或伪造，否 （２）发送方对数字签名进行置乱处理得到置乱签名。 则为假原文。 （３）发送方按事先约定的某一算法将明文随机分配比例 据此，便可实现和强化收、发双方对消息传递安全性与完 得到头文、中文、尾文，使其头文、中文、尾文各占全文长度的 整性的监控。 ａ、８、１一ａ—ｐ（其中：Ｏ＜ａ，Ｏ＜ｐ，ａ＋１３－￣１）。 ４．３中强度数字签名方式 （４）发送方从头文、中文、尾文中各抽取一部分使用接收 由上述全密数字签名的实现过程，可以看出其安全性得 方公钥进行加密后，再与余下的部分共同形成局部加密新密 到了充分保障；但我们也必须清醒地认识到由于其对明文进 文。 行整体加密，其解密过程所耗费的时间比较长。而电子商务 （５）发送方使用嵌入密钥以及信息分存技术将置乱签名 是以便捷著称的，网上交易其金额大多是数额较小的小支付、 与局部加密新密文隐藏于载体信息中，得到隐藏载体，然后将 微支付。因此，小支付、微支付的交易双方在要求较高安全性 隐藏载体发送给接收方。 的同时，必然更要求交易的时间尽可能短。鉴于此，我们提出 （６）接收方收到隐藏载体后： 了另一种改进方案——局密数字签名，其具体实施过程如下 ①接收方通过提取密钥将隐藏载体中的秘密信息提取出 （如图４所示）： 来。 ・１】４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ②接收方将置乱签名进行还原，得到发送方的数字签名。 图４局密数字签名实现过程示意图 ③接收方用发送方的公钥对其数字签名进行解密，得到 消息摘要；如果能够解开，说明明文确实是发自发送方，从而 验证了发送方身份的真实性。 ④接收方使用同一算法的逆算法，将局部加密新密文转 换成明文。 方式：若安全的重要性大于速度的重要性时，则选择第一种改 进方法的高强度加密方式；若交易中更重视速度因素同时又 兼顾一定的安全性时，则选择第二种改进方法的中强度加密 方式；当交易中最重视速度因素而只需一般安全性时，则选择 普通简易方法的低强度加密方式。 结束语电子商务安全问题，是阻碍电子商务发展的主 要瓶颈之一。数字签名技术，具有良好的防伪造、防篡改、防 拒认的功能，而我国最新颁布的《电子签名法》使它在电子商务 ⑤接收方通过ＨＡＳＨ函数使明文转换成消息摘要，与第 ①步中所得到的消息摘要相比对：如果两者完全相同，则说明 消息在传递过程中未被篡改或伪造，否则为假原文。 ４、４两种数字签名改进方式的评价及选择机制 领域中更具备了替代传统人工签名的权益，现在它正成为保障 电子商务安全的关键技术之一。可以断言：只有进一步改进包 括数字签名、信息隐藏在内的各种电子商务安全技术，才能为 电子商务的可持续、跨越式发展提供强有力的技术支撑。 由上述改进过的数字签名实现过程可以看到：第一种全 密数字签名改进方法，其全文加密方式使得加密强度较大、安 全系数较高；但正因为它是对整个明文进行加密，实现过程复 杂，耗费时问长，故这种方法较适合于交易数额巨大、交易重 视程度比较高的“大支付”场合。第二种局密数字签名改进方 法，其局文加密方式使得加强强度适中；且由于只对明文的一 部分进行加密，故节约了一定的时间，提高了交易速度；同时 参考文献 １ 肖存涛．数字签名技术与电子商务安全性研究［Ｊ］．网络安全技术 与应用，２００５，７：６７￣６９ 在消息的传输途中，即使存在着“拦截窃读”的隐患，也会由于 所窃取的消息是残缺不全的，得到的是毫无价值的信息而不 会造成重大的损失，从而兼顾了一定的安全性。因此，后一方 ２ 彭岚，廖仁全．电子商务安全中的数字签名技术［Ｊ］．中国金融电 脑，２００４，１：７４￣７６ ３ 纪志风，丁鹏．电子商务系统安全和数字签名技术［Ｊ］．经济师， ２００４，８：ｌ１Ｏ 法更适用于交易数额较小的、重要程度一般的“小支付、微支 付”场合。 据此，我们可以根据“安全／速度比”来选择加密强度适当 的加密方式。即：应统筹兼顾、全面权衡、认真比较“安全与速 度两大因素在交易过程中的重要性程度”，来选择合适的加密 ４ 夏露．我国电子签名安全问题及解决办法［Ｊ］．特区经济，２００４， ８：９９～１００ ５ 马涛．电子签名的安全性问题［Ｊ］．经济论坛，２００２，２４：４２￣４３ ６ 张书真．信息安全中的信息隐藏技术［Ｊ］．电脑知识与技术，２００５， 】８．７５～７７ ・ １１５ ・