使用數(shù)字簽名實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫記錄防篡改（Java實現(xiàn)）
本文大綱
一、提出問題
二、數(shù)字簽名
三、實現(xiàn)步驟
四、參考代碼
五、后記
六、參考資料
一、提出問題
最近在做一個項目，需要對一個現(xiàn)成的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫進行操作，增加額外的功能。為此，需要對該產(chǎn)品對數(shù)據(jù)庫有什么操作進行研究（至于怎么監(jiān)控一個產(chǎn)品的操作會引發(fā)什么數(shù)據(jù)庫操作，以后會詳細解說）。本來已經(jīng)對數(shù)據(jù)庫的操作了如指掌的，無意中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫表里的每條記錄都會有這樣一個字段：
這感覺不妙了，字段名叫signature，顧名思義，就是簽名的意思呀。難道數(shù)據(jù)庫表中的每條記錄都會有簽名？也就是說如果我不能正確生成簽名，而直接改記錄中的字段，會被程序認為非法篡改了數(shù)據(jù)？那以后我的產(chǎn)品設(shè)計，是否也可采用這種方式來對每條記錄做簽名，防止數(shù)據(jù)被非法篡改，例如日志表中的數(shù)據(jù)？抱著這一發(fā)現(xiàn)以及這一連串的問題，我進行了以下的研究。在這里我將研究整理了一下，分享給大家。
二、數(shù)字簽名
要解決上面的問題，首先就要對最基礎(chǔ)的知識進行了解。這里最基礎(chǔ)的知識，無疑就是什么是數(shù)字簽名了。很多同學(xué)可能對這個名詞并不陌生，但估計大多數(shù)人都是對其一知半解，會把散列、非對稱加密、數(shù)字簽名、數(shù)字證書的幾個概念混為一談，造成混亂。所以我先對相關(guān)概念進行解釋，再往下講。如果很熟悉這方面的同學(xué)可以跳過此部分，但對于絕大多數(shù)同學(xué)來說，不建議這樣做?；A(chǔ)沒搭好，直接看怎么實現(xiàn)，換了個說法又不知道怎么去做了。要想提高個人能力，做到舉一反三很重要。
言歸正傳，先對跟數(shù)字簽名有關(guān)的密碼學(xué)知識簡單說一下。加密方法分兩大類，分別是單鑰加密和雙鑰加密，數(shù)字簽名涉及到雙鑰加密。關(guān)于雙鑰加密，主要涉及到以下幾個要點[1]：
- 雙鑰加密的密鑰有兩把，一把是公開的公鑰，一把是不公開的私鑰
- 公鑰和私鑰是一一對應(yīng)的關(guān)系，有一把公鑰就必然有一把與之對應(yīng)的、獨一無二的私鑰，反之亦成立。
- 所有的（公鑰, 私鑰）對都是不同的。
- 用公鑰可以解開私鑰加密的信息，反之亦成立。
- 同時生成公鑰和私鑰應(yīng)該相對比較容易，但是從公鑰推算出私鑰，應(yīng)該是很困難或者是不可能的。
- 在雙鑰體系中，公鑰用來加密信息，私鑰用來數(shù)字簽名。
- 還有一點關(guān)于數(shù)字證書的。因為任何人都可以生成自己的公鑰私鑰對，所以為了防止有人散布偽造的騙取信任，就需要一個可靠的第三方機構(gòu)來生成經(jīng)過認證的公鑰、私鑰對。簡單來說，數(shù)字證書是權(quán)威的第三方機構(gòu)頒發(fā)的，用來認證某對公鑰私鑰的證書，經(jīng)過這個數(shù)字證書認證的公鑰私鑰，就可以明確屬于某人或者某機構(gòu)，是合法的，可信任的。就如同身份證，是證明你身份的一個證件。所以數(shù)字證書跟數(shù)字簽名是兩回事，要分清楚。
數(shù)字簽名，顧名思義，就類似于一種寫在紙上的普通的物理簽名，不同的是，數(shù)字簽名是電子信息化的，采用雙鑰加密的技術(shù)實現(xiàn)，是一種用于鑒別數(shù)字信息的方法。處理的過程，簡單說就是將文件內(nèi)容進行hash散列，信息發(fā)送者對散列后的字符串使用私鑰加密，得到的最終字符串就是簽名。然后將得到的簽名字符串添加到文件信息的后面一同發(fā)送出去。接收者獲取到文件信息和簽名后，使用公鑰對簽名進行解密，就得到文件內(nèi)容加密后的hash散列。此時，他可以對獲取到的文件內(nèi)容做hash散列，與簽名中的hash散列進行匹對，從而鑒別出最終獲取信息的真?zhèn)?。主要過程如這四幅圖所示[2]：
對文件內(nèi)容進行hash散列，生成摘要
對生成的摘要，使用私鑰進行加密，形成簽名
將得到的簽名，附到文件內(nèi)容后部，就想到與簽名簽到文件尾部那樣子
使用公鑰對簽名進行解密，得到摘要，并與獲取到的文件內(nèi)容生成的摘要做對比，以確定是否被篡改
想了解更詳細的數(shù)字證書相關(guān)內(nèi)容，可以訪問此地址：http://www.youdzone.com/signature.html。里面解釋得很形象，應(yīng)該一看就明白的了。
三、實現(xiàn)步驟
看到這里，開篇提出的問題也就呼之欲出了。沒錯，就是使用數(shù)字簽名技術(shù)，將數(shù)據(jù)庫中的重要字段進行簽名，將簽名結(jié)果作為記錄的一列存在記錄中。這樣當有人入侵數(shù)據(jù)庫，惡意修改字段，程序讀數(shù)據(jù)時拿簽名校驗一下，就知道數(shù)據(jù)是否有被修改過了。
在java.security包中，有很多有用的類，用以進行安全機制的開發(fā)。對于要創(chuàng)建數(shù)字簽名，我們主要用到以下的接口或類：
|
接口名 |
描述 |
|
PrivateKey |
A private key |
|
PublicKey |
A public key |
接口
|
類名 |
描述 |
|
Signature |
The Signature class is used to provide applications the functionality of a digital signature algorithm. |
|
KeyPair |
This class is a simple holder for a key pair (a public key and a private key) |
|
KeyPairGenerator |
The KeyPairGenerator class is used to generate pairs of public and private keys. |
類
對于接口和類的描述，我直接引用了Oracle上的J2SE 7的API描述[3]，就不翻譯成中文了，以防詞不達意。大家看英文應(yīng)該能更精確的明白其意思。
利用上述的接口和類，就可以進行數(shù)字簽名和驗證了，下面分三部分進行基本步驟的描述。
第一部分：生成密鑰并存儲
- 生成KeyPairGenerator實例，并調(diào)用其genKeyPair()方法生成KeyPair對象。
- 利用ObjectOutputStream實例，將KeyPair對象寫到文件中，從而把密鑰保存到文件中。
第二部分：進行數(shù)字簽名
- 從密鑰文件中讀取KeyPair對象。
- 調(diào)用KeyPair對象的getPrivate()和getPublic()方法，分別獲取PrivateKey和PublicKey。
- 利用密鑰的指定算法生成Signature實例，然后利用PrivateKey和文件內(nèi)容，分別調(diào)用其initSign()和update()方法，最后調(diào)用sign()方法生成數(shù)字簽名。
第三部分：進行簽名驗證
- 從密鑰文件中讀取KeyPair對象。
- 調(diào)用KeyPair對象的getPrivate()和getPublic()方法，分別獲取PrivateKey和PublicKey。
- 利用密鑰的指定算法生成Signature實例，然后利用PublicKey和文件內(nèi)容，分別調(diào)用其initSign()和update()方法，最后利用數(shù)字簽名調(diào)用verify()方法驗證簽名。
四、參考代碼
根據(jù)上面的步驟描述，基本可以寫出程序來了。下面是參考代碼，未必盡善盡美，但是基本功能都體現(xiàn)到了，供你參考。
工程結(jié)構(gòu)：
DataSecurity類：
package com.hzj.security;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.nio.charset.CharsetEncoder;
import java.security.KeyPair;
import com.hzj.util.StringHelper;
public class DataSecurity {
private KeyPair keyPair;
private static final String KEY_FILE = "/ca.key";
private DataSignaturer dataSignaturer;
public DataSecurity() {
try {
this.keyPair = KeyPairUtil.loadKeyPair(getClass().getResourceAsStream("/ca.key"));
this.dataSignaturer = new DataSignaturer(this.keyPair.getPublic(), this.keyPair.getPrivate());
} catch (RuntimeException e) {
System.out.println("沒有找到KeyPair文件[/ca.key]!");
}
}
/**
* 驗證數(shù)字簽名
* @param data
* @param signs
* @return
*/
public boolean verifySign(String data, String signs) {
if ((data == null) || (signs == null)) {
System.out.println("參數(shù)為Null");
}
boolean verifyOk = false;
try {
verifyOk = this.dataSignaturer.verifySign(data.getBytes("UTF-8"), StringHelper.decryptBASE64(signs));
} catch (RuntimeException e) {
System.out.println("fail!data=" + data + ", sign=" + signs + ", exception:" + e.getMessage());
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
System.out.println("不支持UTF-8字符集");
} catch (Exception e) {
System.out.println("Exception:" + e.getMessage());
}
if (!verifyOk) {
System.out.println("fail!data=" + data + ", sign=" + signs + ", verifyOk=false!");
}
return verifyOk;
}
/**
* 生成數(shù)字簽名
* @param data
* @return
*/
public String sign(String data)
{
if (data == null) {
System.out.println("參數(shù)為Null");
}
String sign = null;
try
{
sign = StringHelper.encryptBASE64(this.dataSignaturer.sign(data.getBytes("UTF-8")));
}
catch (UnsupportedEncodingException e)
{
System.out.println("不支持UTF-8字符集");
}
catch (Exception e)
{
System.out.println(e.getMessage());
}
return sign;
}
}
DataSignaturer類：
package com.hzj.security;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;
import java.security.SignatureException;
public class DataSignaturer {
private PrivateKey privateKey;
private PublicKey publicKey;
public DataSignaturer(PublicKey publicKey, PrivateKey privateKey){
this.privateKey = privateKey;
this.publicKey = publicKey;
}
/**
* 進行數(shù)字簽名
* @param data
* @return
*/
public byte[] sign(byte[] data) {
if (this.privateKey == null) {
System.out.println("privateKey is null");
return null;
}
Signature signer = null;
try {
signer = Signature.getInstance(this.privateKey.getAlgorithm());
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
try {
signer.initSign(this.privateKey);
} catch (InvalidKeyException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
try {
signer.update(data);
return signer.sign();
} catch (SignatureException e) {
System.out.println(e.getMessage());
return null;
} catch (NullPointerException e) {
System.out.println(e.getMessage());
return null;
}
}
/**
* 驗證數(shù)字簽名
* @param data
* @param signature
* @return
*/
public boolean verifySign(byte[] data, byte[] signature) {
if (this.publicKey == null) {
System.out.println("publicKey is null");
return false;
}
Signature signer = null;
try {
signer = Signature.getInstance(this.publicKey.getAlgorithm());
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
System.out.println(e.getMessage());
return false;
}
try {
signer.initVerify(this.publicKey);
} catch (InvalidKeyException e) {
System.out.println(e.getMessage());
return false;
}
try {
signer.update(data);
return signer.verify(signature);
} catch (SignatureException e) {
System.out.println(e.getMessage());
return false;
}
}
}
KeyPair類：
package com.hzj.security;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
public class KeyPairUtil {
// 采用的雙鑰加密算法，既可以用DSA，也可以用RSA
public static final String KEY_ALGORITHM = "DSA";
/**
* 從輸入流中獲取KeyPair對象
* @param keyPairStream
* @return
*/
public static KeyPair loadKeyPair(InputStream keyPairStream) {
if (keyPairStream == null) {
System.out.println("指定的輸入流=null!因此無法讀取KeyPair!");
return null;
}
try {
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(keyPairStream);
KeyPair keyPair = (KeyPair) ois.readObject();
ois.close();
return keyPair;
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
return null;
}
/**
* 將整個KeyPair以對象形式存儲在OutputStream流中， 當然也可以將PublicKey和PrivateKey作為兩個對象分別存到兩個OutputStream流中，
* 從而私鑰公鑰分開，看需求而定。
* @param keyPair 公鑰私鑰對對象
* @param out 輸出流
* @return
*/
public static boolean storeKeyPair(KeyPair keyPair, OutputStream out) {
if ((keyPair == null) || (out == null)) {
System.out.println("keyPair=" + keyPair + ", out=" + out);
return false;
}
try {
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out);
oos.writeObject(keyPair);
oos.close();
return true;
} catch (FileNotFoundException e) {
System.out.println(e.getMessage());
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
return false;
}
/**
* 生成KeyPair公鑰私鑰對
*
* @return
*/
public static KeyPair initKeyPair() throws NoSuchAlgorithmException{
KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
keyPairGen.initialize(1024);
return keyPairGen.genKeyPair();
}
/**
* 生成密鑰，并存儲
* @param out
* @return
* @throws NoSuchAlgorithmException
*/
public static boolean initAndStoreKeyPair(OutputStream out) throws NoSuchAlgorithmException {
return storeKeyPair(initKeyPair(), out);
}
}
StringHelper類：
package com.hzj.util;
import sun.misc.BASE64Encoder;
import sun.misc.BASE64Decoder;
public class StringHelper {
/**
* BASE64Encoder 加密
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 加密后的字符串
*/
public static String encryptBASE64(byte[] data) {
BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
String encode = encoder.encode(data);
return encode;
}
/**
* BASE64Decoder 解密
* @param data 要解密的字符串
* @return 解密后的byte[]
* @throws Exception
*/
public static byte[] decryptBASE64(String data) throws Exception {
BASE64Decoder decoder = new BASE64Decoder();
byte[] buffer = decoder.decodeBuffer(data);
return buffer;
}
}
Program類：
package com.hzj.main;
import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import com.hzj.security.DataSecurity;
import com.hzj.security.KeyPairUtil;
public class Program {
public static void main(String[] args) {
// 1.生成證書
// File file = new File("ca.key");
// try {
// FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(file);
// KeyPairUtil.initAndStoreKeyPair(fileOutputStream);
// } catch (FileNotFoundException | NoSuchAlgorithmException e) {
// e.printStackTrace();
// }
// 2.生成數(shù)字簽名
// DataSecurity dataSecurity = new DataSecurity();
// String sign = dataSecurity.sign("大家好");
// System.out.println("sign:" + sign);
//3.驗證數(shù)字簽名
DataSecurity dataSecurity = new DataSecurity();
boolean result = dataSecurity.verifySign("大家好", "MCwCFCDs3sBw/fXK9flndl0M5lAUiPYFAhR9vyNNc91UiUBxFwK3GzLLjWgTkQ==");
System.out.println("result：" + result);
}
}
這里需要注意的是，為什么要對數(shù)字簽名進行進行Base64編碼呢？這是因為生成的數(shù)字簽名是byte[]型的，無論對應(yīng)哪一種字符集來轉(zhuǎn)化成String，都會有亂碼出現(xiàn)。所以，采用Base64進行編碼，就可以得到一串可見的字符串，方便存儲和重新調(diào)用。
五、后記
寫到這里，本文的內(nèi)容就基本上完結(jié)了。有人看到這里就會問，這不是說數(shù)據(jù)庫記錄防篡改嘛，一直都在講數(shù)字簽名，究竟怎么個防篡改？前文已經(jīng)對數(shù)字簽名的一些基本原理，使用的場景，開發(fā)的步驟、代碼等進行了描述，開篇是也描述了項目中遇到的數(shù)據(jù)庫中的問題。將這些信息綜合起來，應(yīng)該就知道怎么將數(shù)字簽名應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫記錄中來作為數(shù)據(jù)庫防篡改的工具了。知道工具怎么用是基礎(chǔ)，會用工具來完成自己想做的事情，就是進階了。祝你步步高升！
以上就是本文的全部內(nèi)容，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來一定的幫助，同時也希望多多支持腳本之家！
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