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w e bs e r v i c e 消息级安全研究摘要随着w e bs e r v i c e 在电子商务和企业联盟中应用的日益广泛，安全性问题越来越重要，已经成为制约其进一步发展的关键因素之一。信息安全的主要目标包括机密性、完整性、认证、授权和不可抵赖性等。能够为w e bs e r v i c e 提供完善可靠的安全性保护，是在电子商务中进一步推广应用该技术的必要条件。s s l ( s e c u r es o c k e tl a y e r ) 、t l s ( t r a n s p o r tl a y e rs e c u r i t y ) 等传输安全协议已经在网络传输中被广泛应用。s s l 和t l s 协议可以保证w e bs e r v i c e 使用过程传输级的安全，即点到点的安全性，但是对s o a p 消息的内容没有采取任何的安全措施。为了保证w e bs e r v i c e 端到端的安全性，需要对s o a p 消息内容进行加密和数字签名等安全操作，使s o a p 消息具有良好的完整性、机密性和不可抵赖性。目前，w 3 c 、o a s i s 、w s i 等很多国际标准化组织已经在进行w e bs e r v i c e安全问题的研究，并提出了相关的安全标准和规范。本文在认真研究了这些安全规范和标准，并分析了数据加密、数字签名和数字证书等安全技术的基础上，设计并在j 2 e e 环境下初步实现了能保证s o a p 消息端到端安全的w e bs e r v i c e 消息级安全解决方案。为了充分利用对称加密算法的高效率和非对称加密算法双密钥的优点，本文使用a e s 对称加密算法对s o a p 消息的内容加密，使用r s a 非对称加密算法对a e s 密钥加密。本文采用x 5 0 9 数字证书对s o a p 消息进行数字签名处理，保证s o a p 消息的完整性和不可抵赖性。本文使用j 2 e e 架构分层的思想设计实现，具有安全性、可移植性、健壮性和灵活性等特点。该方案使用j 2 e e 安全架构，将信息安全技术进行有机结合，实现了s o a p 消息传输端到端的机密性、完整性和可验证性，为w e bs e r v i c e 提供了比较完善可靠的安全保障。关键词：w e bs e r v i c e ；x m l ：加密；数字签名；j 2 e e 安全架构w e bs e r v i c em e s s a g e l e v e ls e c u r i t yr e s e a r c ha b s t r a c tw i t ht h ew c bs e r v i c eb e i n gw i d e l ya p p l i e di ne - c o m m e r c ea n de n t e r p r i s ea l l i a n c e ，s e c u r i t yi s s u eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s e c u r i t yi s s u eh a sb e c o m et oo n eo ft h ef a c t o r sw h i c hs t u n tt h ed e v e l o p m e n to fw e bs e r v i c e t h em a i no b j e c t i v e so fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yi n c l u d ec o n f i d e n t i a l i t y ，i n t e g r i t y ，a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o na n dn o n - r e p u d i a t i o na n ds oo n p e r f e c ta n dr e l i a b l ep r o t e c t i o n si ns e c u r i t ya r e aa r en e c e s s a r yf o rt h et e c h n o l o g yo fw e bs e r v i c et ob ef u r t h e rp o p u l a r i z e di ne - c o m m e c e t h et r a n s m i s s i o ns e c u r i t yp r o t o c o l s ，f o re x a m p l es s l ( s e c u r es o c k e tl a y e r ) a n dt l s ( t r a n s p o r tl a y e rs e c u r i t y ) ，h a v eb e e nu s e dw i d e l yi nc o m m u n i c a t i o n t h e s ep r o t o c o l sc a ne n s u r et h a tt h ew e bs e r v i c ei ss e c u r i t yi nt r a n s m i s s i o n - l e v e l i no r t h e rw o r d s ，t r a n s m i s s i o n - l e v e ls e c u r i t yp r o t o c o l se n s u r et h ec o n f i d e n t i a l i t yo fp o i n t - t o - p o i n te x c h a n g e b u tt r a n s m i s s i o ns e c u r i t yp r o t o c o l sd i d n tp r o v i d ea n ys a f e t yo p e r a t i o nt ot h ec o n t e n t so ft h es o a pm e s s a g e s i no r d e rt oe n s u r et h es e c u r i t yo fe n d t o - e n dt r a n s m t i o n , s o m es e c u r i t ym e a s u r e s ，i n c l u d ee n c r y p t i o na n dd i g i t a ls i g n a t u r e ，w o u l db eo p e r a t e do ns o a pm e s s a g e t h e s es e c u r i t ym e a s u r e sc o u l ds t r e n g t h e nt h ei n t e g r i t y ，c o n f i d e n t i a l i t ya n dn o n - r e p u d a t i o n a tp r e s e n gm a n yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n si n c l u d et h ew 3 c ,t h eo a s i sa n dt h ew s i ，h a v es t a r t e dt or e s e a r c ht h ep r o b l e ma b o u tw e bs e r v i c es e c u r i t y t h e yh a v ep u tf o r w a r ds o m es e c u r i t ys t a n d a r d sa n dn o m l s a f t e rc a r e f u l l ya n dd e e p l ys t u d y i n gt h e s es t a n d a r d sa n dn o r m s ，a n a l y z i n gt h es e c u r i t yt e c h n o l o g y , t h ew r i t e rd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h em e s s a g el e v e ls e c u r i t ys c h e m eo fw e bs e r v i c ei nt h ej 2 e ee n v i r o n m e n t i no r d e rt om a k eu s eo ft h es t r o n g p o i n t so fs y m m e t r ye n c r y p t i o nt e c h n o l o g ya n da s y m m e t r ye n c r y p t i o nt e c h n o l o g y ，a e sa l g o r i t h mi su s e df o re n c r y p t i o no nt h ec o n t e n to fs o a pm e s s a g ea n dr s aa l g o r i t h mi su s e df o re n c r y p t i o no nt h ek e yo fa e s x 5 0 9d i g i t a lc e r t i f i c a t ei su s ef o rs i g n a t u r eo ns o a pm e s s a g e s ，s ot h a t ，t h ei n t e g r i t ya n dn o n - r e p u d a t i o nc o u l db ee n s u r e d i ii nt h i sp a p e r ，t h ew r i t e ra d o p t st h el a y e r e dm e t h o do fj 2 e ef r a m e w o r kt od e s i g nt h es e c u r i t ys c h e m e t h i sm e t h o ds t r e n g t h e n e dt h em e r i t so fb e t t e rs e c u r i t y ，t ob et r a n s p l a n t e de a s i l y ，9 0 0 dh a l e n e s sa n df l e x i b i l i t y t h i sm e s s a g e l e v e ls e c u r i t ys c h e m ea d o p t e dj 2 e es e c u r i t yf r a m e w o r ka n di n t e g r a t e ds e v e r a li n f o r m a t i o ns e c u r i t yt e c h n o l o g i e s s ot h a t , t h i ss c h e m ec n s b r c st h ec o n f i d e n t i a l i t y , i n t e g r i t ya n dn o n - r e p u d a t i o no ft h es o a pe x c h a n g i n g , p r o v i d e di n t e g r a t e da n dr e l i a b l es e c u r i t ys a f e g u a r dt ot h ew e bs e r v i c ea p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：w e bs e r v i c e ；x m l ；e n c r y p t i o n ；d i g i t a ls i g n a t u r e ；j 2 e es e c u r i t yf r a m e w o r k独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得l 注：翅遗直基丝益要挂型直明鳆! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：薹园摇签字日期：z 扫形年月2 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：董国拓签字日期：z o o s 年f 月ze l2导师签字：签字帆删年月弓日w e bs e r v i c e 消息级安全研究1 绪论1 , 1 课题背景在计算机科学和i n t e r a c t 技术飞速发展的基础上，电子商务以前所未有的速度迅速普及，已经渗透到商业的各个领域，成为企业发展的新的增长点。i n t e r a c t环境下异构应用系统问的交互问题一直制约着电子商务的发展。为了实现跨平台、语言独立、松散藕合的动态商务，一种分布式计算体系结构- - w e bs e r v i c e s应运而生。它允许w e b 站点放置可编程的元素以实现基于w e b 的分布计算和处理。w e bs e r v i c e 是对象组件技术在i n t c m e t 中的延伸，是封装成单个实体并且发布到网络上以供其它程序使用的功能集合。w e bs e r v i c e 技术的发展解决了w e b 应用和传统桌面应用之间的连接鸿沟，使得企业与企业在现有的各自异构平台的基础上，实现了无缝的集成，基于w e bs e r v i c e 技术的电子交易和在线协作己成为企业发展电子商务的重要手段【1 1 。安全性在商业应用中是至关重要的，只有保证了充分的安全性，才能保证商业系统的正常运作。w e bs e r v i c e 要被广大企业用户所接受，必须解决它所面临的安全方面的问题。w e bs e r v i c e 面临着大多数分布式应用所面临的安全威胁，具体包括【2 】：( 1 ) 对数据的攻击，如窃听、篡改、假冒、重放、业务否认等；( 2 )对系统的攻击，如授权违例、非法使用、拒绝服务、特洛伊木马等；( 3 ) 对业务流程的攻击，如业务流分析等。这些潜在的安全方面的威肋，严重影响了w e bs e r v i c e 进一步的普及和推广。w e bs e r v i c e 的安全问题已成为整个行业关注的焦点，能否妥善地解决安全问题，直接关系到各个领域是否愿意接纳和使用w e bs e r v i c e 技术的关键所在，也直接影响到w c b s e r v i c c 能否真正成为被广泛应用的工业标准的关键所在【3 1 。如果能够提高w e bs e r v i c e 的安全可靠性，将是对电子商务和异构信息系统互操作起到极大的推动作用。w e bs e r v i c e 使用过程中，对s o a p 消息的加密和数字签名是保证信息传递端到端安全性的关键技术。研究怎样提高s o a p 消息传输过程中的安全性是全面提供w e bs e r v i c e 安全性课题的重要组成部分w e bs c r v i c e 消息级安全研究1 2 研究现状w e bs e r v i c e 安全问题已经成为国外很多标准化组织、公司和社会团体行研究的内容，这些组织主要有w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，万维网联盟) 、o a s i s( o r g a n i z a t i o nf o rt h ea d v a n c e m e n to fs t r u c t u r e di n f o r m a t i o ns t a n d a r d s ，结构化信息标准促进组织) 、w s ，i ( w e bs e r v i c ei n t e r a c t i o ni n t e r o p e r a b i l i t yo r g a n i z a t i o n ) 等。w 3 c 己经制定了一系列的安全规范和标准用于确保信息传递的安全性，其中最重要的有x m le n c r y p t i o n 规范和x m ld i g i t a ls i g n a t u r e 规范。前者定义了一种方法，用来加密和解密x m l 文档的全部内容或者部分内容；后者实现了对文档特定部分的数字摘要和签名。为了解决w e bs e r v i c e 安全问题中密钥管理的安全性问题，w 3 c 的另一个工作组还制定了x k m s ( x m lk e ym a n a g e m e n ts p e c i f i c a t i o n ) i x m l 密钥管理规范，用于让用户获取加密密钥信息( 例如加密密钥，证书等) 并允许用户进行密钥管理，例如密钥的注册、撤消等等。s a m l 语言( s e c u r ea s s e r t i o nm a r k u pl a n g u a g e ，安全断言标记语言) 是o a s i s为交换身份信息提供了一个框架。这种信息共享标准化能帮助w e b 站点与多个合作伙伴集成，避免由于为不同合作伙伴设计和维护各自私有的集成通道而引起的争论。该组织另一个著名的标准是x a c m l ( o a s i sa c c e s sc o n t r o lm a r k u pl a n g u a g e ，可扩展的访问控制高标识语言) ，定义了一种通用的用于保护资源的策略语言和一种访问决策语言，为执行特定操作定了一个权限集合。w s i 是由微软、玛m 、v e r i s i g n 等w e b 服务投资公司刨立，目的是提高w e b服务的互操作性。该组织于2 0 0 2 年4 月推出了一个w e b 服务安全白皮书：s e c u r i t yi naw e bs e r v i c e sw o r l d ：ap r o p o s e da r c h i t e c t u r ea n dr o a d m a p ( w s s e c u r i t y ) 。w s s e c u f i 哆通过利用现有标准和规范来实现安全性，现有规范中添加了一个框架，用于将这些机制嵌入到s o a p 消息中，这是以一种与传输无关的方式完成的。目前国内研究w e b s e r v i c e 安全性的工作还处于刚刚起步的阶段，目前还投有一个完善而且投入实际应用的w e bs e r v i c e 安全系统。因为w e bs e r v i c e 安全的重要性，国内对w e bs e r v i c e 安全的研究也在积极进展中。2w e bs e r v i c e 消息级安全研究1 3 课题的研究目的和意义w e bs e r v i c e 的安全可靠性己成已经成为企业之间能否应用这项技术实现异构信息系统互联的关键问题之一。目前大多数w e bs e r v i c e 的实现都是以h t r l 作为其传输层，因此常依赖于h 丌p 原有的安全机制如使用s s l ( s e c u r i t ys o c k e tl a y e r ) 安全机制【3 1 4 1 。传输级安全只是w 曲s e r v i c e 安全的一个方面，仅有传输级的安全不能为w e bs e r v i c e 提供：端到端的保护、不可抵赖性、选择性保护、灵活的认证机制以及消息、级安全上下文环境的支持等安全特性。为了保护w e bs e r v i c e 的消息及其元素的安全，必须保护在端点之间传输的s o a p 消息的安全。仅采用s s l 协议保证传输级的安全不能够保证信息的不可抵赖性，这对使用w e bs e r v i c e 是不可接受的。所以引入消息级安全机制，构建一个建立在传输级安全基础上的消息级安全解决方案，保证w e bs e r v i c e 的端到端的消息安全性十分重要。s u n 公司所推出的j 2 e e ( j a v a 2e n t e r p r i s ee d i t i o n ) 三层网络应用构架和e i b ( e n t e r p r i s ej a v ab e 孔) 的组件模式使用j a v a 语言作为基于w e b 应用程序开发的开发工具，不仅融合了j a v a 语言易移植、跨平台、安全健壮性和面向对象的特点，而且还具有强大的事务处理能力。因为m m ，b e a s y s t e m s ，o r a c l e 等大公司都参与了j 2 e e 的制定，j 2 e e 有广泛的厂商支持，所以在j 2 e e 环境下实现完善的w e bs e r v i c e 安全系统架构对w e bs e r v i c e 应用的推广，推动企业之间信息系统的互联有及其重要的现实意义。目前，还没有一个实用的、灵活的、易于扩展的针对w 曲s e r v i c e 消息级安全解决方案，而j 2 e e 架构具有的分层次、易移植等特点正好适合设计和开发应用这样安全解决方案。本文采用j 2 e e 架构所设计并初步实现的w e bs e r v i c e 消息级安全解决方案具有较强的灵活性和实用性，对w e bs e r v i c e 安全性的研究具有重要的现实意义和应用价值。1 4 本文所做的工作和组织结构本文所做的工作有以下几点：1 比较全面地分析w e bs e r v i c e 安全面临的问题和信息安全技术在网络系统中应用的现状和不足。3w e bs e r v i c e 消息级安全研究2 较全面地分析了w e bs e r v i c e 安全规范和相关的数据通信安全技术。3 详细介绍j 2 e e 安全体系架构、j a v a 技术的安全性和w e bs e r v i c e 安全标准技术，说明了选择j 越，a 技术的原因。4 使用1 2 e e 安全体系设计了比较完善的消息级w e bs e r v i c e 安全解决方案，并通过j a v a 语言初步实现了该方案，验证了方案的可行性。全文共分为7 章：第一章绪论介绍本课题的研究背景、国内外研究现状、研究目的和意义以及本文的主要工作和组织结构。第二章信息安全和密码技术概括介绍现有的信息安全技术和密码技术。这些安全技术包括对加密技术、非对称加密技术和数字签名技术。这些安全技术是实现通信安全的基础，也是本文实现消息级安全系统采用的安全技术。第三章w e bs e r v i c e 安全问题及相关标准与技术全面介绍w e b 服务技术及w e b 服务体系架构模型，同时也介绍了w e b 服务所面临的安全挑战。论了用来保护x m l 文档的加密、签名技术和密钥管理技术。描述了如何管理密钥，如何加密和解密x m l 文档，以及如何在x m l 数据上签名和验证签名。第四章j a v a 安全架构与技术本章介绍了j a v a 安全架构与技术，说明本文选用j a v a 2 平台和j 2 e e 架构实现安全系统的技术的可行性和实际的安全性的原因。第五章w e bs e r v i c e 消息级安全解决方案的设计本章详细介绍了使用j 2 e e 安全架构设计m l s s t 系统的过程，其中包括系统架构、工作流程、各功能层中模块的详细设计以及对本系统安全性能的分析。第六章典型应用和实验本章介绍了采用j a v a 语言实现m l s s t 系统的基本功能，并通过用该系统对一个w e bs e r v i c e 实例进行加密和数字签名验证了本系统的可行性和有效性。第七章结论和展望对本文进行总结并提出下一步工作的方向。4w e bs e r v i c e 消息级安全研究信息安全和密码技术信息安全技术是一种防止我们不完全信任的人访问信息和其它计算资源的技术。当然，只有在能够保守特定秘密( 如口令、密钥等) 时，安全性才能得到保障。一般来说，安全的网络通信需要满足以下五个标准，它们分别对应于五个安全服务门【5 ，6 刀：( 1 ) 数据的完整性：数据接收者能够检验所接收到的数据是否被修改过，对应于完整性服务。( 2 ) 身份的确定性：数据接收者能够确定数据的来源，对应于源鉴别服务。( 3 ) 数据的机密性：对敏感数据的访问仅限于授权的用户，对应于保密服务。( 4 ) 不可抵赖性：活动完成者不能否认他执行过的操作，对应于不可否认服务。( 5 ) 信息可控性：对网络中传输的信息流的流向、信息的传播和信息的内容有控制能力。这五个安全标准通常用来描述安全系统必须支持的属性，这些安全属性的实现是建立在数据保密的基础之上的。数据通信的安全性最终基于一个简单的概念保密。密码术实际上就是一种用于保密的技术。在信息交换和处理过程中，为了满足这五个安全标准，目前普遍应用的信息安全技术是对信息内容的加密和采用加密算法对信息数字签名的技术。对信息内容的加密技术通常以加密和解密是否使用相同的密钥分为对称加密技术和非对称加密技术。数字签名技术是非对称加密技术的典型应用，已经成为保证数据的完整性、身份的确定性和不可抵赖性的最普遍且有效的技术。2 1 对称加密技术对称加密的特点是加密和解密使用相同的密钥。和非对称加密技术相比，对称加密算法具有简单快捷、密钥较短且破译困难的特点。但是，因为使用相同密钥加密解密，在信息传输过程中，发送方和接收方对密钥的交换和管理就成为最大的难题。5w e bs e r v i c c 消息级安全研究对称加密和解密可以用下面的数学形式表示，其中，e 是加密函数，d 是解密函数，k 是单个共享秘密密钥，m 是明文消息，c 是相应的密文信息：加密操作：c = e ( m ，k )解密操作：m - - d ( c ，目对称加密的工作方式如图2 - 1 所示i s ：图2 1 对称密码术工作方式对称加密算法在使用中存在几个问题1 9 】：要求提供一条安全的渠道使通讯双方在首次通讯时协商一个共同的密钥。直接的面对面协商可能是不现实而且难于实施的，所以双方可能需要借助于邮件和电话等其它相对不安全的手段来进行协商。密钥的数目难于管理。在对称密码方案中，支持每对通信方发送和接受加密数据的不同密钥都必须被存储在每台机器上。这就意味着，所有通信方需要保密的密钥数会随着通信用户的数量的增加而迅速增加。如果有n 个用户，可能需要的最大密钥数就是从1 到n 1 所有数的总和。对称加密算法一般不能提供信息完整性的鉴别。它无法验证发送者和接受者的身份。对称密钥的管理和分发工作是一件具有潜在危险的和烦琐的过程。对称加密是基于共同保守秘密来实现的，采用对称加密技术的双方必须保证采用的是相同的密钥，保证彼此密钥的交换是安全可靠的，同时还要设定防止密钥泄密和更改密钥的程序。对称加密以数据加密标准( d e s ，d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 算法为典型代【1 0 1 。6w e bs e r v i c e 消息级安全研究目前最常用的几种对称算法有d e s 算法、3 - d e s 和r i j n d a e l 算法。2 1 1d e sd e s ( 数据加密标准) ，是n b s ( 美国国家标准局，即现在的n i s t ) 于上个世纪7 0 年代中期确定的联邦标准，曾是世界上最广泛使用的密码体制。它由m 开发，于1 9 7 5 年在联邦记录中公布，经大量讨论后于1 9 7 7 年被采纳作为“非密级”应用标准。d e s 密钥长度仅5 6 位，现在己经被穷尽密钥搜索攻破，而且也可能被拆分密码分析特别是线性密码分析攻破。d e s 的安全性已经不能满足现在通信的要求，我们继续使用d e s 的理由是：它曾是使用最广泛的密码体制，要解密以前的密文还需要它。2 1 2t r i p l ed e s3 - d e sf r r i # d e s ) 是d e s 向a e s 过渡的加密算法( 1 9 9 9 年，n i s t 将3 - d e s指定为过渡的加密标准) ，是d e s 的一个更安全的交形。它以d e s 为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法，其具体实现如下：设e k o 和d k o 代表d e s 算法的加密和解密过程，k 代表d e s 算法使用的密钥，p 代表明文，c 代表密表，这样，3 d e s 加密过程为：c = e k 3 k 2 ( e k l ( p ) ) ) 。3 d e s 解密过程为：p = d k i ( ( e k 2 ( d k 3 ( c ) ) ) 。k 1 、k 2 、k 3 决定了算法的安全性，若三个密钥互不相同，本质上就相当于用一个长为1 6 8 位的密钥进行加密。多年来，它在对付强力攻击时是比较安全的。2 1 3p o j n d a e l 算法a e s ( 美国高级加密标准) 是美国国家标准技术研究所n i s t 旨在取代d e s 的2 1 世纪的加密标准。r i j n d a e l 由比利时密码专家j o a nd a e m e nv i n c e n t 蹦m 设计，于2 0 0 0 年底被n i s t 确定为a e s 。该算法的设计力求满足三条标准：1 ) 能抵抗所有己知的攻击；2 ) 在多个平台上速度快：3 ) 编码紧凑，设计简单t 1 1 】。硪j n d a d 是具有可变分组长度和可变密钥长度的分组密码。其分组长度和密钥长度均可独立地设定为3 2 位的任意倍数，最小值为1 2 8 位，最大值为2 5 6 位。7w e bs e r v i c e 消息级安全研究它采用了“宽轨迹”策略，具有极好的抗差分、线性密码分析性和商效率，只需要相对少的轮数就可以获得强安全性。根据2 0 0 0 年1 0 月2 日n i s t 对r i j n d a e l 算法做出的最终评估的结果表明【1 2 1 ，没有已知的方法能够攻击r i j n d a e l 算法，而且r i j n d a d 在执行过程中利用掩码技术可以在不显著降低执行效率的情况下防止能量攻击和计时攻击。r i j n d a e l 支持加密中的快速子密钥计算，要求加密前一次产生所有的子密钥，对密钥灵活性有一定限制。2 2 非对称加密技术与对称加密算法不同，非对称加密算法需要两个密钥【1 0 】：公开密钥( p u b l i ck e y ) 和私有密钥( p r i v a t ek e y ) 。公开密钥与私有密钥是一对，每一个公开密钥精确地对应一个私有密钥，反之亦然。公开密钥并不对任何人保密，通常是公开的。相反，私有密钥并不公开，只有其所有者知道。如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫做非对称加密算法。非对称加密算法有时也称作公开密钥算法，相对应的，非对称加密技术也叫公开密钥( 或简称公钥) 加密技术。其使用方式如图2 - 2 所示嘲：图2 2 非对称密码术工作方式非对称加密算法的保密性比较好，它消除了最终用户交换密钥的需要，但加密和解密花费时间长、速度慢，它不适合于对文件加密而只适用于对少量数据进8w e bs e r v i c e 消息级安全研究行加密。r s a 公开密钥算法是一种公认为十分安全的非对称加密算法，也是目前网络上进行保密通信和数字签名的最有效的安全算法。r s a 算法的安全性基于数论中大素数分解的困难性，所以r s a 需采用足够大的整数。因子分解越困难，密码就越难以破译，加密强度就越高。r s a 既能用于加密又能用于数字签名，在已提出的公开密钥算法中，r s a 是最容易理解和实现的，这个算法也是目前最流行的加密算法之一。2 3 数字签名技术数字签名( d i g i t a ls i g n a t u r e ) 是一种通过向公证的第三方证明的方式提供消息的来源和内容的认证方法c 7 l 。数字签名的实现基础是公开密钥加密技术的应用f 6 i ，是指用发送方的私有密钥加密报文摘要，然后将其与原始的信息附加在一起，合称为数字签名。其使用方式是：报文的发送方从报文文本中生成个1 2 8 位或1 6 0 位的单向散列值( 或报文摘要) ，并用自己的私有密钥对这个散列值进行加密，形成发送方的数字签名：然后，将这个数字签名作为报文的附件和报文一起发送给报文的接收方；报文的接收方首先从接收到的原始报文中计算出1 2 8 位的散列值( 或报文摘要) ，接着再用发送方的公开密钥来对报文附加的数字签名进行解密；如果这两个散列值相同，那么接收方就能确认该数字签名是发送方的。通过数字签名能够实现对原始报文的鉴别与验证，保证报文的完整性、权威性和发送者对所发报文的不可抵赖性。数字签名机制提供了一种鉴别方法，普遍用于银行、电子贸易等，以解决伪造、抵赖、冒充、篡改等问题。数字签名要符合以下的可靠性原则【1 3 】：签名是可以被确认的签名是无法被伪造的签名是无法重复使用的文件被签名以后是无法被篡改的签名具有不可否认性数字签名一般通过以下几个步骤实现：1 发送方用一个h a s h 函数对消息进行处理，产生消息摘要( m e s s a g e9w e bs c r v i c c 消息级安全研究d i g e s t ) 2 发送方将自己的私人密钥和消息摘要进行d s a 算法( d i g i t a ls i g n a t u r ea l g o r i t h m ) 计算，产生数字签名。3 将数字签名和消息一起发送出去。4 接收方用同样的h a s h 函数对消息进行计算，产生消息摘要。5 。接收方用d s a 算法对消息摘要和发送方的公开密钥进行计算，产生数字签名s 1 。同时，从接收到的消息中可以得到数字签名s 2 r 因为数字签名和消息是一起发送来的) 。若数字签名s 1 和数字签名s 2 相等，则该数字签名得到验证，否则，数字签名验证失败，消息发出后可能曾被修改或者是伪造的。目前有很多组织定义了关于数字签名的标准，如r s ad a t as e c u r i t y 公司的p k c s ( p u b l i ck e yc r y p t o g r a p h ys t a n d a r d ) 、i e t f 的c m s ( c r y p t o g r a p h i cm e s s a g es y n t a x ) ，p g p ( p r e t t yg o o dp r i v a c y ) 以及n s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 的d s s ( d i g i t a ls i g n a t u r es t a n d a r d ) 等。这些标准明确的定义了生成签名和校验的详细步骤。在应用过程中，又出现了数字签名的一些最新扩展，比如有代理签名、群签名、盲签名、多重签名等方案，提高了数字签名的安全性和易用性。1 0w e bs e r v i c e 消息级安全研究3 w e bs e r v i c e 安全问题及相关标准与技术w e bs e r v i c e 是基于面向服务架构( s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 的，s o a可使各种系统的软件( 包括应用功能、对象和过程) 作为w e bs e r v i c e 公开。3 1w 曲s e r v i c e 概述w e bs e r v i c c 提供了一个分布式体系结构，用来在i n t e r a c t 或i n t r a n c t 上通过标准的x m l 协议和信息格式来展现商业服务。s e r v i c e 使用标准的x m l 协议，w e bs e r v i c 。开发平台、开发语言和发布者之间能相互独立，是电子商务解决方案的一个理想的候选者。w 3 c 组织对w e bs e r v i c e 的暂行定义如下：w e bs e r v i c e 是由u r i c t j n i f o r mr e s o u r c ei d e n t i f i e r ，统一资源标识符) 标识的软件应用程序，其接口和绑定可以通过x m _ l 构件进行定义、描述和发现，w e bs e r v i c e 支持通过基于因特网的协议使用基于x m l 的消息与其他软件应用程序直接交互。w e bs e r v i c e 建立在三个角色的交互上，它们分别是【1 4 1 ：服务的提供者、服务的注册处和服务的请求者，而交互的内容包括发布、查找和绑定三个操作。这些角色和操作都围绕w e b 服务的两个产品展开，即服务本身和服务说明。w e bs e r v i c e 最典型的实现模型是服务提供者拥有一个可以通过网络访问的软件模块( w e bs e r v i c e 的实现) ，它为这个w e bs e r v i c e 定义服务说明，并把它发布给w e bs e r v i c e 的请求者或者w e bs e f 、r i c c 的注册处，w e bs e r v i c e 的请求者使用查找操作从本地或w e bs e r v i c e 的注册处得到w e bs e r v i c e 说明，并使用w e bs e r v i c e 说明中的信息与服务的提供者实现绑定，然后与w e b 服务交互，调用其中的操作。服务的提供者和服务的请求者是w e bs e r v i c e 的逻辑基础，一个w e b服务既可以是提供者又可以是请求者。图3 - 1 显示了这些操作、提供这些操作的模块和它们间的交互。w e bs e “i 碑消息级安全研究图3 1w e bs e r v i c e 实现模型w e b 服务体系结构中的角色：服务提供者。从企业的角度看，这是服务的所有者。从体系结构的角度看，这是托管访问服务的平台。服务请求者。从企业的角度看，这是要求满足特定功能的企业。从体系结构的角度看，这是寻找并调用服务，或启动与服务的交互的应用程序。服务请求者角色可以由浏览器来担当，由人或无用户界面的程序( 例如，另外一个w e b 服务) 来控制它。服务注册中心。这是可搜索的服务描述注册中心，服务提供者在此发布他们的服务描述。在静态绑定开发或动态绑定执行期间，服务请求者查找服务并获得服务的绑定信息( 在服务描述中) 。对于静态绑定的服务请求者，服务注册中心是体系结构中的可选角色，因为服务提供者可以把描述直接发送给服务请求者。同样，服务请求者可以从服务注册中心以外的其它来源得到服务描述，例如本地文件、f t p 站点、w e b 站点、广告和服务发现( a d v e r t i s e m e n ta n dd i s c o v e r yo fs e r v i c e s ，a d s ) 或发现w e b服务( d i s c o v e r yo fw e bs e r v i c e s ，d i s c o ) w e b 服务体系结构中的操作：对于利用w e b 服务的应用程序，必须发生以下三个行为：发布服务描述、查询或查找服务描述以及根据服务描述绑定或调用服务。这些行为可以单次或反复出现。这些操作具体为；发布。为了使服务可访问，需要发布服务描述以使服务请求者可以查找1 2w e bs e r v i c e 消息级安全研究它。发布服务描述的位置可以根据应用程序的要求而变化。查找。在查找操作中，服务请求者直接检索服务描述或在服务注册中心中查询所要求的服务类型。对于服务请求者，可能会在两个不同的生命周期阶段中牵涉到查找操作：在设计时为了程序开发而检索服务的接口描述，而在运行时为了调用而检索服务的绑定和位置描述。绑定。最后需要调用服务。在绑定操作中，服务请求者使用服务描述中的绑定细节来定位、联系和调用服务，从而在运行时调用或启动与服务的交互。w e b 服务的构件：服务。在这里，w e b 服务是一个由服务描述来描述的接口，服务描述的实现就是该服务。服务是一个软件模块，它部署在由服务提供者提供的可以通过网络访问的平台上。服务存在就是要被服务请求者调用或者同服务请求者交互。当服务的实现中利用到其它的w e b 服务时，它也可以作为请求者。服务描述。服务描述包含服务的接口和实现的细节。其中包括服务的数据类型、操作、绑定信息和网络位置。还可能包括可以方便服务请求者发现和利用的分类及其它元数据。服务描述可以被发布给服务请求者或服务注册中心。w e b 服务体系结构解释了如何实例化元素和如何阻一种可以互操作的方式实现这些操作。3 2w e bs e r v i c e 安全相关技术w e bs e r v i c e 的应用需要足够的安全性来保护信息的安全性，建立起客户的信心并避免在使用过程中涉及的部分法律责任。在设计和实现w e bs e r v i c e 时需要考虑以下几方面的安全问题1 1 5 】：数据的类型和数量、客户的类型、事务处理需求、响应时间和资源开放。w 曲s e r v i c e 的安全应用需要划分为三个领域1 1 5 ) ：身份验证和授权、传输层安全和应用层安全。本文所研究的w 曲s e r v i c e 消息级安全属于应用层安全的范畴，即采用加密和数字签名等安全技术为w e bs e f i v i e e 所传输的s o a p 消息提供端到端的安全性保障。1 3w e bs e r v i c e 消息级安全研究3 2 1x m l 签名x m l 签名是用x m l 格式表示的数字签名，其用途广泛，可用于保证x m l文档或消息的不可