（计算机应用技术专业论文）基于数字签名的学生成绩管理系统.pdf

山东理- r 人学硕二学位论义摘要 摘要 本文针对学生成绩管理系统进行了分析和研究。据调研，目前许多学 校对学生的成绩仍采用纸质签名或直接在网上传输未经加密的学生成绩。 对于纸质签名是教师将成绩打印在纸上，然后进行签名，它的缺点是携带 或保存不方便；在网上传输未经加密的成绩，则可能出现教师对上传的成 绩进行抵赖、管理员对上传的成绩进行篡改和传输过程中被别人截取等现 象。而数字签名技术在身份识别和认证、数据完整性、抗抵赖等方面具有 其它技术所无法替代的优势，它能够实现对成绩的安全加密。因此，作者 提出了基于数字签名的学生成绩管理系统。 本系统以s q ls e r v e r2 0 0 0 和v s n e t2 0 0 3 作为开发平台，采用b s 架构和c s 架构相结合的方式来确保系统的实用性和安全性。系统实现了 学生成绩管理、班级管理、课程管理、教师信息管理、公私钥对产生、成 绩签名验证等功能。b s 架构具有系统安装方便、浏览器端负担小等特点， 但是，该架构下产生公私钥对并进行网上传输是很不安全的。因此，结合 c s 架构，系统提供了产生公私钥对的插件以及签名验证的插件，让公私 钥对的产生及成绩的签名加密在客户端进行。教师在客户端产生公私钥对 后，先用c a 的公钥对教师的公钥加密，然后上传到服务器，再在服务器 端解密。 另外，为了解决日后的学生成绩争议问题，学生成绩在客户端先用教 师的私钥签名，然后再用c a 的公钥进行加密，最后上传到服务器，在服 务器端解密，得到原成绩。数据库中同时保存签名成绩、原成绩及上传数 据的时间等信息，以提供验证功能，解决了成绩出现疑义时的责任归属。 因此，该系统实现了保密性、完整性、不可否认性等方面的安全需求，具 有良好的实用价值和应用推广价值。 关键词：纠纷仲裁，数字签名，身份认证，抗抵赖性 a b s t r a c t l nt h l sp a p e r ，s t u d e n tr e s u l tm a n a g e m e n ts y s t e mw a sa n a l y z e da n ds t u d i e d a c c o r d l n gt or e s e a r c h ，m a n ys c h o o l so nt h er e s u l t so fs t u d e n t ss t i l lu s ep a p e r s l g n a t u r eo rw i t h o u tad i r e c to n l i n et r a n s m i s s i o no fe n c r y p t e ds t u d e n tr e s u l t t h e p a p e rl st h es l g n a t u r ea c c o m p l i s h m e n t so ft e a c h e r sw i l lp r i n to np a p e ra n dt h e n p r o c e e dt os l g n a t u r e ，a n di t ss h o r t c o m i n g si si n c o n v e n i e n tt oc a r r yo rp r e s e r v ei n t h eo n l i n et r a n s m i s s i o no ft h er e s u l t sw i t h o u te n c r y p t i o n ，i tm a ya p p e a ro nt h e t e a c h e r st ou p l o a dt h er e s u l t st od e n y ，t h ea d m i n i s t r a t o rt ou p l o a dt h er e s u l t st o t a m p e rw i t ha n di nt h ec o u r s eo ft r a n s m is s i o nb yo t h e r s ，s u c ha st h ei n t e r c e p t i o no f t h e p h e n o m e n o n t h ed i g i t a l s i g n a t u r et e c h n o l o g yi nt h ei d e n t i f i c a t i o na n d a u t h e n t i c a t i o n ，d a t ai n t e g r i t y ，a n t i d e n i a l ，a n do t h e ra s p e c t so fo t h e rt e c h n o l o g i e s c a nn o tb er e p l a c e db yt h ea d v a n t a g et h a ti tc a na c h i e v er e s u l t so nt h es e c u r i t vo f e n c r y p t i o n t h e r e f l o r e ，t h ea u t h o rb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a t u r eo fs t u d e n tr e s u l t m a n a g e m e n ts y s t e m i i h es y s t e mt os q ls e r v e r2 0 0 0a n dv s n e t2 0 0 3a sa d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ， u s i n gb ss t r u c t u r ea n dc ss t r u c t u r eo fac 0 m b i n a t i o no fs y s t e m st oe n s u r et h e p r a c t l c a l i t ya n ds a f e t y s y s t e mm a n a g e m e n to fs t u d e n tr e s u l t ，c l a s sm a n a g e m e n t ， c u r n c u l u mm a n a g e m e n t ， t e a c h i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，t h ep r i v a t ek e yt o p r o d u c er e s u l t ss i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n ， a n do t h e rf u n c t i o n s b sf r a m e w o r kt o f a c i l i t a t et h ei n s t a l l a t i o no fs y s t e m ， b u r d e n ，b u tu n d e rt h ef r a m e w o r ko f b r o w s e ra n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l p u b l i ca n dp r i v a t ek e yt r a n s m i s s i o nl i n ei s v e r ys a f c t h e r e f o r e ，t h ec o m b i n a t i o no fc ss t r u c t u r e t h es y s t e mp r o v i d e sa p u b l i ca n dp r i v a t ek e yp a i r so fp l u g i n sa n ds i g n a t u r ev e r i f i c a t i o np l u g i n ，l e tt h e p u b l l ca n dp r l v a t ek e yt og e n e r a t e ，t h es i g n a t u r e sa n de n c r y p t i o nr e s u l t si nt h e c l i e n t t e a c h e r sh a v eac “e n ti nt h ep u b i i ca n dp r i v a t ek e y ，b yc a sp u b l i ck e yt o e n c r y p tt h et e a c h e r sp u b l i ck e y ，a n dt h e n u p l o a d e dt ot h es e r v e r ， t h e nt h e s e r v e r s i d ed e c r y p t i o n f u n h e r m o r e ，i no r d e rt or e s o l v et h ei u t u r eo ft h ed i s p u t e di s s u eo fs t u d e n t r e s u l t ，o nt h ec l i e n t ，u s i n gt h ep r i v a t ek e yo ft e a c h e r st os i g n e ds t u d e n t s ，r e s u l t ，a n d t h e nu s ec a sp u b l i ck e y e n c r y p t i o n ，n n a l l yu p l o a d e dt ot h es e r v e r ，t h es e r v e r s i d e d e c l a s s i f i e db yt h eo r i g i n a lr e s u l t s s i g n e di nt h ed a t a b a s er e s u l t sw h i l ep r e s e r v i n g t h eo r i g i n a lr e s u l t sa n dt h et i m et ou p l o a dd a t aa n d o t h e ri n f o r m a t i o nt op r o v i d e h 山东理工大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ec e r t i f i c a t i o nf u n c t i o n ，t h er e s u l t sa p p e a rt or e s o l v et h ed o u b tw h e nt h e a t t r i b u t i o no fr e s p o n s i b i i i t y t h e r e f o r e ，t h es y s t e mh a st h ec o n 丘d e n t i a l i t y ， i n t e g r i t y ，n o n - r e p u d i a t i o n ，a n do t h e ra s p e c t so fs e c u r i t yn e e d s ，h a sag o o d p r a c t i c a lv a l u ea n dp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fv a l u e k e yw o r d s ： d i s p u t ea r b i t r a t i o n ，d i g i t a ls i g n a t u r e ，i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ， a n t i d e n y i n g i h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得山东理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名：夺宝丽 时间：细d 譬年石月f 细 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 夺宝丽 孑札象 时间：2 g 年月j 台日 时间：刀护矿年6 月坫日 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着网络的迅速发展，大部分学校已经实现网上办公，与之相应的网 上考试系统等也有了很大的发展。学生成绩的管理非常重要。而学生成绩 属于敏感信息，要求具有真实性和不可否认性，这就要保证在成绩传输和 存储时的保密性和安全性，使非法者即使通过非法渠道获取了成绩也不能 篡改。目前国内外关于学生成绩登记主要采取两种方式：一是教师将成绩 用e x c e l 等数据处理软件录入到计算机中上报教务处，然后打印输出，教 师签名，这是手写签名的方式，这种方式的缺点是繁琐、浪费时间；二是 无签名的网上学生成绩管理系统，这种方式尽管方便，但是一旦出现学生 成绩疑义，教师和成绩管理人员都可以对伪造成绩进行抵赖，由于没有鉴 别手段，这样不利于管理。 目前，许多考试平台需要加密狗等硬件技术的支持，实用性不强。虽 然已经有了网上成绩上传系统，但是由于它没有安全的加密机制，或者采 用的是a c c e s s 数据库等，它的安全性不够强。为了提高办公效率及远程 教育的需要，设计一套简洁、实用和安全的学生成绩管理系统尤为重要。 现在，由于现实生活的实际需要及计算机技术的进步，密码学有了突 飞猛进的发展，有了比较完善的签名算法，并通过多种语言得以实现。 基于以上原因，设计开发了基于数字签名的学生成绩管理系统。本文 研究的目的旨在建立基于w e b 的具有保密数字签名的双方( 教师和成绩管 理人员) 都不可否认的学生成绩管理系统。该系统可以实现“身份验证、 数据保密、信息完整性、不可否认性”的信息安全准则。 1 2 数字签名技术的国内外研究现状 迄今为止，能够保证网络和数据传输安全的最重要的工具是加密1 3 1 。 数据在网络上传输时，其安全威胁主要来自于非法窃听，因此，可以将数 据经过加密算法进行加密。其中数据加密技术有：数据传输加密技术、数 据存储加密技术、数据完整性鉴别技术、密钥管理技术。到目前为止，已 山东理r 丁人学硕j ：学位论文第一章绪论 经公开发表的各种加密算法多达数百种。如果按照收发双方密钥是否相同 来分类，可以将这些加密算法分为常规密钥算法和公钥密钥算法。在常规 密钥算法中，影响最大的是d e s 密钥算法。常规密钥算法的优点是速度快， 但其密钥必须通过安全的途径传送。因此，其密钥传输成为系统安全的重 要因素。而在公钥密钥算法中，最有影响的是r s a 算法，它能抵抗到目前 为止已知的所有密码攻击。公钥密钥算法的优点是可以适应网络的开放性 要求，且密钥管理问题也较为简单，尤其是可方便的实现数字签名和验证。 它将是一种很有前途的网络安全加密体制。目前数字签名的研究内容非常 丰富，包括普通签名和特殊签名。普通数字签名算法有r s a 、e lg a m a l 、 f i a t s h a m i r 、g u ill o u q u i s q u a r t e r 、 s c h n o r r 、 o n g s c h n o r r s h a m i r 数字签名算法、d e s d s a ，椭圆曲线数字签名算法和有限自动机数字签名 算法等。特殊数字签名有盲签名、代理签名、群签名、不可否认签名、 公平盲签名、门限签名、具有消息恢复功能的签名等。总的来说，数字签 名的算法很多，应用最为广泛的两种是：d s a 签名、r s a 签名。 “数字签名”是目前电子商务、电子政务中应用最普遍、技术最成熟、 可操作性最强的一种电子签名方法。随着网络的迅速发展，电子签名技术 在政治、经济、文化生活中都得到了广泛应用。相应地，用于推广电子签 名技术的立法活动也日益活跃。19 9 5 年，美国犹他州颁布了全球第一部 电子签名法。5 年后，美国总统签署了全球及全国商务电子签名法。 截至目前，全球已经有lo o 多个国家颁布或实施了相关法律。2 0 0 5 年4 月1 曰起，我国首部中华人民共和国电子签名法正式实施。2 0 0 6 年2 月2 3 日，国务院办公厅转发了国家网络与信息安全协调小组制定的 关于网络信任体系建设的若干意见，全力推广电子签名等信息安全技 术。 在国内，网络信息安全研究起步晚，投入少，研究力量分散，与技术 先进国家有差距，特别是在系统安全和安全协议方面的工作与国外差距更 大。由于国外对加密技术的限制和保护，国内无法得到急需的安全而实用 的网络安全系统和数据加密软件；由于系统安全内核受控于人，以及国外 产品的不断更新升级，基于具体产品的增强安全功能的成果，难以保证没 有漏洞，也难以得到推广和应用。同时，我国大多数的计算机系统及网络 系统的软、硬件都来自国外，这种系统是否留下后患，用户或国家的机密 信息会不会被非法窃取，都需要花大力气去研究。因此，我国必须大力发 2 山东理t 大学硕士学位论文 第一章绪论 展信息安全技术产品。 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究了数字签名技术下的学生成绩的管理问题。其中包括： c a 认证问题、教师公私钥对生成问题、成绩安全上传问题以及成绩出现 疑义时验证问题。主要内容如下： ( 1 ) c a 认证问题 由于专门的c a 认证中心需要一定的财力支持，需要专门的服务器进 行管理，耗资比较大，不利于小型网络的推广8 。9 3 。因此，为了达到c a 认证的目的又节省丌支，让服务器端起到认证的作用。同时，为了安全起 见，管理员在服务器端生成c a 的公私钥对，c a 私钥存入本地文件，c a 公 钥在网上进行公开。 ( 2 ) 教师公私钥对生成问题 成绩签名验证要用到公私钥对，如果教师直接使用b s 架构在网页上 生成公私钥对进行传输，这样是非常不安全的。为了保证公私钥对的安全 性，教师从网页上下载一个插件，教师运行该插件，在本地生成教师的公 私钥对。其中，教师的私钥进行本地保存，教师的公钥通过c a 的公钥进 行加密，然后将加密的教师公钥复制到网页中，上传到服务器；管理员再 用c a 公钥进行解密，得到教师的公钥，存入该教师的数据库中。可见， 教师公私钥对的产生在本地，是基于c s 架构的，能够起到安全的作用。 ( 3 ) 成绩安全上传问题 教师进行登录后，如果已经有了公私钥对，则可以上传成绩，如果在 网页上直接加密成绩，再上传，仍然是不安全的。所以，采用插件的形式， 教师在本地输入学生的成绩，然后用教师的私钥对成绩进行签名，再用 c a 的公钥进行加密，而后到提交成绩的网页中，上传到服务器端。这样， 经过签名加密的成绩就存入到数据库中。最后，管理员再用c a 的私钥和 教师的公钥对其进行解密，将得到的学生原始成绩也存入数据库。 ( 4 ) 成绩出现疑义时的验证问题 当学生的成绩经过教师私钥的签名及c a 公钥的加密后，上传到服务 3 山东理工大学硕l j 学位论文第一章绪论 器，管理员再通过c a 私钥及教师的公钥对其解密，得到真实成绩，然后 进行公布。如果，公布的成绩出现了疑义，那么，可能是管理员直接对真 实的成绩进行了篡改，也可能是教师上传的成绩出现了问题。这时，管理 员或者教师就可能会抵赖，因此，就要验证到底是哪方的责任。验证时， 先对数据库中保存的签名加密的成绩用c a 的私钥和教师的公钥进行解 密，如果得到的成绩与数据库中存储的原始成绩相等则管理员没有问题， 是教师舞弊；如果不等，则是管理员篡改了成绩。从而进行了验证，分清 了责任。同时，上传数据的时间也可以在一定程度上作为验证的依据。 1 4 本文结构与主要特点 本文主要包括八个章节的内容： 第一章，绪论。主要介绍了课题的背景和意义、数字签名技术的国内 外研究现状、本文主要研究哪些内容及本文的结构和创新点以及系统设计 开发所用的工具和环境。 第二章，数字签名及其算法。主要简述了公钥密码体系、r s a 密码体 系和数字签名的技术及其算法，并依据以上理论的指导分析基于数字签名 技术的学生成绩管理系统中成绩的签名加密问题。 第三章，系统分析。本章对实现该系统进行了问题、设计目标、可行 性和需求分析，并根据系统需要得出了数据流图等。 第四章，系统设计。本章详细说明了该系统的总体规划及数据库设 计，为系统的真正实现铺设道路。 第五章，编码与具体实现。这章详细说明了系统各个模块在v s n e t 中的实现方案及相关代码，充分体现了数字签名技术的优越性。 第六章，软件测试。本文针对设计过程中出现的问题及解决方案进行 了说明。 第七章，系统的实施与维护。主要说明系统需要实际在计算机上的实 现及运行后的日常维护工作。 第八章，总结和展望。对本文的研究成果进行了归纳总结，指出还存 在的问题，并展望了数字签名技术的未来。 4 山东理r 人学硕l ：学位论文第一牵绪论 本系统最大的特点是采用了信息安全技术应用较广的数字签名技术， 来保证学生成绩等信息的数据完整性、抗抵赖等。其中，数字签名技术采 用了基于公钥加密的r s a 算法，通过n e t 自带的r s a 数字签名的相关类 及方法一“，综合运用a s p n e t 和c # 来实现安全性的系统设计。为了确 保系统的安全性，采用c s 架构与b s 架构相结合的方式。因为，如果在 b s 架构下进行教师以及c a 公私钥对的创建，或者成绩的签名加密，这 些都是不安全的。因此，采用c s 架构形式，教师下载教师插件在客户端 运行，生成教师的公私钥对；教师的私钥进行本地保存；教师的公钥用 c a 的公钥加密再上传；教师对学生的成绩先用自己的私钥进行签名，再 通过c a 的公钥进行加密后上传；管理员在本地运行管理员插件，进行c a 公私钥对的创建以及教师公钥和学生成绩的解密等工作。这样，既发挥了 b s 架构的方便性，又发挥了c s 架构的安全性。一旦出现成绩疑义，教 师不能否认对学生成绩的签名“，成绩管理人员对伪造的成绩也不能抵 赖。教师上报的成绩只有成绩管理人员才能解密，实现了学生成绩的安全 传输及认证，从而提高了学生成绩的信度和安全性，提高了工作效率，给 教师和管理人员都带来了便利。 山东理工人学硕l 学位论文第二章公钥密码及数字签名算法 第二章公钥密码及数字签名算法 第一章了解了本文的课题背景及研究内容，下面将重点分析本文所用 到的数字签名技术。 密码系统是w e b 应用程序的安全通讯的基础，加密是密码系统在实践 中的应用，它是用算法使数据变得不规则的过程。密码系统有对称和不对 称两种加密方法“。其中，对称密码系统的解密密钥与加密密钥是一 样的，而非对称密码系统的解密密钥与加密密钥是不同的，一个称为公开 密钥，另_ 个称为私人密钥( 或秘密密钥) ，因此这种密码体系也称为公 钥密码体系。在公开密钥加密体系下，公开密钥是公开的，加密和解密的 算法也是公开的。保密性完全取决于私人密钥的保密。只知道公开密钥不 可能计算出私人密钥，只有知道私人密钥的合法解密者才能正确解密，将 密文还原成明文。从另一个角度讲，保密的私人密钥代表解密者的身份特 征，可以作为身份识别参数。因此，可以使用私人密钥进行数字签名。 数字签名的目的是让消息的接受者能确认发送者的签名，但不能伪 造；发送者发出签了名的消息给接受者后就不能否认他所签发的消息，一 旦收发双方就消息内容和来源发生争执时，应能给仲裁者提供发送者对所 发消息签了名的证据。数字签名是现代密码学主要研究的内容之一u p z 引， 能够进行身份识别和认证，保证数据的完整性，以及防止抵赖等现象，它 在电子商务和电子政务等领域有着极广泛的应用。 2 1 公钥密码概述 公钥密码体制于19 7 6 年由w d if f ie 和m h e l l m a n 提出，同时， r m e r k le 也独立提出了这一体制。这种密码体制采用了一对密钥：加密 密钥和解密密钥，这一对密钥中，一个可以公开( 称之为公钥) ，另一个为 用户专用( 称之为私钥，必须保密) 。从公钥不能直接推出私钥，反之，亦 然。 公钥密码系统是基于陷门单向函数的概念。单向函数是易于计算但 求逆困难的函数，而陷门单向函数是在不知道陷门信息的情况下求逆困 难，而在知道陷门信息时易于求逆的函数。 6 山东理工大学硕士学位论文第二章公钥密码及数，签名算法 公钥密码系统可用于以下三个方面： 1 通信保密：此时将公钥作为加密密钥，私钥作为解密密钥，通信双 方不需要交换密钥就可以实现保密通信。这时，通过公钥或密文分析出明 文或私钥是不可行的。如图2 1 所示，b o b 拥有多个人的公钥，当他需要 向a l ic e 发送机密消息时，他用a 1 ic e 公布的公钥对明文消息加密，当 a 1 ic e 接收到后用她的私钥解密。由于私钥只有a l ic e 本人知道，所以能 实现通信保密。 明文输入加密算法，如r s a解密算法明文输出 图2 1利用公钥密码系统实现通信保密 2 数字签名：将私钥作为加密密钥，公钥作为解密密钥，可实现由一 个用户对数据加密，而可以由多个用户解读。如图2 2 所示，b o b 用私钥 对明文进行加密并发布，a 1 ic e 收到密文后用b o b 公布的公钥解密。由于 b o b 的私钥只有b o b 本人知道，因此，a 1 ic e 看到的明文肯定是b o b 发出 的，从而实现了数字签名，具有与手写签名同样的效果。 tb o b 的私钥晰 明文输入加密算法，如r s a解密算法明文输出 图2 2 利用公钥密码系统实现数字签名 公开密钥算法最主要的特点是从已知的公钥不可能推导出私钥。理论 7 山东理工大学硕i ：学位论文 第二章公钥密码及数字签名算弦 上也许是可能的，但是需要极长时间和极多资源，从而实际上是不可能的。 另外，公钥和私钥之间有着复杂的数学关系，但在计算机上应该较容易地 生成这样一对密钥。r s a 算法是一种典型的公开密钥算法，并且n e t 中自 带了r s a 算法的相关类及其方法。在研究数字签名算法前，先来研究r s a 密码系统的相关内容，从而为基于数字签名的学生管理系统的设计奠定基 础。 2 2r s a 密码系统 公开密钥加密的第一个算法是由r a lp hm e r k le 和m a r tinh e l l m a n 开 发的背包算法，它只能用于加密。后来，a dis h a m ir 将其改进，使之能 用于数字签名。背包算法的安全性不好，也不完善。随后不久就出现了第 一个较完善的公开密钥算法r s a ( 根据其发明者命名，即r o nr i 、，e s t ，a di s h a m ir ，l e o n a r da dle m a n ) 。 r s a 密码系统的安全性基于大数分解的困难性嵋卜2 引。知道，求一对大 素数的乘积很容易，但要对这个乘积进行因式分解则非常困难。公钥密码 系统一般都涉及数论的知识，如素数、欧拉函数、中国剩余定理等等。 下面介绍r s a 密码系统的细节。 一般都为lo o 位左右的十进制数字， 计算乘积： 选择两个不同的大素数p 和q ( 原来 现在用2 0 0 位以上来提高安全性) ， n = p q 和欧拉函数值： 咖( n ) = ( p 1 ) ( q 一1 ) 随机取一整数e ，l e 由( n ) ，且e 和由( n ) 互素。此时可求得d 以满足： 即 由此推出 的正整数) e d 兰1m o d 巾( n ) ( d e 一1 ) m o d 夺( n ) = o p 口，= t 咖( 刀) + 1( t 是大于等于1 这样可以把e 和n 作为公开密钥，d 作为私人密钥。其中，p 、q 、由 ( n ) 和d 就是秘密的陷门( 四项并不是相互独立的) ，这些信息不可以泄露。 8 山东理t 人学砍1 ：学位论义第二章公钥密码及数字签名算法 r s a 加密消息m 时( 这里假设m 是以十进制表示的) ，首先将消息分成 大小合适的数据分组，然后对分组分别进行加密。每个分组的大小应该比 n 小。设c ；为明文分组m ；加密后的密文，则加密公式为 c 2 m 。m o dn 解密时，对每一个密文分组进行如下运算： m i 2 c i 。m o dn r s a 及其他公钥算法的速度是非常慢的，一般比对称算法慢10 0 0 倍， 这是因为公钥算法都涉及到复杂的数学运算。 r s a 算法也可以用于数字签名。用私钥加密信息，这时就称为对信息 进行数字签名。将密文附在原文后，称为数字签名。其他人用相应的公钥 去解密密文，将解出的明文与原文相比较，如果相同则验证成功，这称为 验证签名“1 。本文就要研究签名机制在该系统中的应用，下面就来研 究数字签名的特点及其方法。 2 3 数字签名 2 3 1 数字签名概述 数字签名是附加在目标数据单元上的一些数据，或是对目标数据单元 进行的密码变换。这种数据和变换能够使目标数据单元的接收者确认目标 数据单元的真实来源，能使各方确认目标数据单元的完整性，防止任何一 方对目标数据单元进行任何伪造、篡改3 卜32 1 。在数字签名出现以前，在 文件上手写签名长期以来被用作作者身份的证明，或表示同意文件的内 容。签名为什么会如此引人注目呢? ( 1 ) 签名是可信的。签名使文件的接收者相信签名者是慎重地在文件 上签字的。 ( 2 ) 签名不可伪造。签名证明是签字者而不是其他人在文件上签字。 ( 3 ) 签名不可重用。签名是文件的一部分，不法之徒不可能将签名移 到不同的文件上。 ( 4 ) 签名的文件是不可改变的。在文件签名后，文件不能改变。 9 山东理r = 人学硕j ：学位论文第1 二章公钐j 密码及数字签名算法 ( 5 ) 签名是不可抵赖的。签名和文件是物理的东西。签名者事后不能 声称他没有签过名。 在现实生活中，关于签名的这些陈述没有一个是完全真实的。手写签 名能够被伪造，签名能够从文章中盗用移到另一篇文章中，文件在签名后 能够被改变。在计算机上如果做以上这种事情，也是存在一些问题的。首 先计算机文件易于复制，即使某人的签名难以伪造( 例如，手写签名的图 形) ，但是从一个文件到另一个文件复制和粘贴有效的签名都是很容易的。 这种签名并没有什么意义；其次文件在签名后也易于修改，并且不会留下 任何修改的痕迹。由此可见，这就需要用一定的算法来对文件内容进行保 密，将其通过加密算法转换成不规则的密文，使非法者无法篡改，这就是 数字签名方法“。 2 3 2 数字签名方法 基本的数字签名协议是简单的： 1 a l ic e 用她的私钥对文件加密，从而对文件签名。 2 a l i c e 将签名的文件传给b o b 。 3 b o b 用a l ic e 的公钥解密文件，从而验证签名。 这个协议不需要第三方去签名和验证。甚至协议的双方也不需要第三 方来解决争端；如果b o b 不能完成第3 步，那么他知道签名是无效的。 这个协议也满足我们期待的特征： ( 1 ) 签名是可信的。当b o b 用a l ic e 的公钥验证信息时，他知道是由 a 1i c e 签名的。 ( 2 ) 签名是不可伪造的。只有a 1 ic e 知道她的私钥。 ( 3 ) 签名是不可重用的。签名是文件的函数，并且不可能转换成另外 的文件。 ( 4 ) 被签名的文件是不可改变的。如果文件有任何改变，文件就不可 能用a lic e 的公钥验证成功。 ( 5 ) 签名是不可抵赖的。b o b 不用a 1ic e 的帮助就能验证a l ic e 的签 l o 山东理t 大学硕 二学位论文第二章公钥密码及数字签名算法 名。 在实际的实现过程中，采用公钥密码算法对长文件签名效率太低。为 了节约时间，数字签名协议经常和单向散列函数一起使用。a 1ic e 并不对 整个文件签名，只对文件的散列值签名。在这个协议中，单向散列函数和 数字签名算法是事先就协商好了的。 ( 1 ) a 1i c e 产生文件的散列值。 ( 2 ) a l ic e 用她的私钥对散列值加密，凭此表示对文件签名。 ( 3 ) a l ic e 将文件和散列签名送给b o b 。 ( 4 ) b o b 用a l ie e 发送的文件产生文件的散列值。然后用a 1 ic e 的公 钥对签名的散列值解密。如果解密的散列值与自己产生的散列值相同，签 名就是有效的。但是，我们本文要研究的是对位数较少的成绩进行签名， 因此，本文并不采用散列值的签名。而是直接对成绩进行签名，为了保证 传输中的安全性，系统还对签名进行了c a 加密，这就是带加密的数字签 名。 2 3 3 带加密的数字签名 通过把公钥密码和数字签名结合起来，能够产生一个协议3 引，可把 数字签名的真实性和加密的安全性结合起来，如图2 3 所示，教师要上传 的成绩：签名提供了教师的证明，而c a 公钥的加密提供了保密性。 图2 3 带加密的数字签名 具体过程如下： ( 1 ) 教师用自己的私钥对成绩签名：s ，( m ) ( 2 ) 教师用c a 的公钥对签名的成绩加密，然后送给管理员：e c ( s ，( m ) ) 山东理t 人学硕士学位论文第，：章公钥密码及数签名算法 ( 3 ) 管理员用他的私钥解密：d 。( e 。( s ，( m ) ) ) = s ，( m ) ( 4 ) 管理员用教师的公钥验证并且恢复出信息：v ，( s ，( m ) ) = m 加密前签名是很自然的。当教师上传成绩前，教师在成绩中签名，然 后把签名用c a 的公钥加密。 如果教师对学生的成绩先用c a 的公钥加密，然后再对其进行签名， 那么管理员就可能会担心这个成绩是否被替换了。 在电子通信中也是这样，加密前签名是一种谨慎的习惯做法。这样做 不仅是更安全( 敌人不可能从加密信息中把签名移走，然后加上他自己的 签名) ，而且还有法律的考虑：如果签名者不能见到被签名的文本，那么 签名没有多少法律强制作用。 因此，我们也不一定必须把同一个公钥私钥密钥对用作加密和签名。 我们可以有两个密钥对：一个用作加密，另一个用作签名。分开使用有它 的好处：用作加密的密钥对被托管，而用作签名的密钥对中公钥公开，签 名的私钥自己保存。密钥能够有不同的长度，能够在不同的时间终止使用。 数字签名经常包括时间标记。对日期和时间的签名附在信息中，并跟 信息中的其他部分一起签名，用时间标记来阻止信息的重复使用。可用于 数字签名的算法有多种，常用的是r s a 数字签名算法和d s a 数字签名算法。 2 4 数字签名算法 2 4 1 数字签名算法r s a 前面讨论的r s a 算法也可以用于数字签名。我们可以获得私钥d ，公 钥e 和n ，则对消息m 签名有： r=sig ( m )=m4m o dn 其中，r 是对消息的签名。 验证签名时，验证： m2r 。m o dn 若上式成立，则签名有效。如图2 4 所示： 1 2 山东理工大学硕上学位论文第二章公钥密码及数：签名算法 消息 f 习 i 三l 剧 消息签名 霸卜罐豳固 私钥加密 名后的消息 消息验证 2 4 2 数字签名算法d s a 图2 4r s a 数字签名 签名后的消息 消息 19 9 1 年8 月，美国n i s t 公布了用于数字签名标准d s s 的数字签名算 法d s a 37 l ，19 9 4 年l2 月1 日正式采用为美国联邦信息处理标准。 d s a 中用到了以下参数： ( 1 ) p 为l 位长的素数，其中，l 为512 l0 2 4 之间且是6 4 倍数的数。 ( 2 ) q 是16 0 位长的素数，且为p l 的因子。 ( 3 ) g = h 州mm o dp ，其中，h 是满足l h 。，。 f 密码) 、l 、： r 、 f c 加密公钥1 图4 3 教师e r 图 图4 4 成绩e r 图 图4 5 课程e r 图 3 5 山东理1 ：人学硕 j 学位论文 第四章系统设计 f 课程编号卜课程分配_ 自动编号 一 一一 蘧，电、( ! ，。：j 图4 6 课程分配e r 图 ( + 入学时间 l 籍贯 l 一，厂 ，一、 ，j - 。，一，、 ( 学号 卜l 1学生卜_ 一 姓名 ) i 、j7 ，寸一o ) 7 7 、一7 ，一一、一、 ( 民族 ) ( 出生日期) 图4 7 学生e r 图 e r 模型的“联系 用于刻画实体之间的关联。一种完整的方式是对 局部结构中任意两个实体类型，依据需求分析的结果，考察局部结构中任 意两个实体类型之间是否存在联系。若有联系，进一步确定是l ：n ，m ：n ， 还是1 ：1 等。还要考察一个实体类型内部是否存在联系，两个实体类型之 间是否存在联系，多个实体类型之间是否存在联系，等等。本系统的实体 之间的联系解释如下： 一个教师可以教授多个学生，一个学生可以受教于多个教师； 一个教师可以教授一门课程，一门科目可以有多个教师教授； 一门科目可以有多个学生学习，一个学生也学习多门课程； 一个学生一门科目只有惟一的成绩，一门科目对一个学生也具有惟一 的成绩； 一个班级具有多个学生，一个学生对应一个班级。 2 设计全局e r 模式 所有局部e r 模式都设计好了后，接下来就是把它们综合成单一的全 局概念结构。全局概念结构不仅要支持所有局部e r 模式，而且必须合理 山东理工大学硕十学位论文第四章系统设计 地表示一个完整、一致的数据库概念结构。 ( 1 ) 确定公共实体类型 为了给多个局部e r 模式的合并提供开始合并的基础，首先要确定各 局部结构中的公共实体类型。一般把同名实体类型作为公共实体类型的一 类候选，把具有相同键的实体类型作为公共实体类型的另一类候选。 ( 2 ) 局部e r 模式的合并 合并的原则是：首先进行两两合并；先合并那些现实世界中有联系的 局部结构；合并从公共实体类型开始，最后再加入独立的局部结构。 ( 3 ) 消除冲突 冲突分为三类：属性冲突、结构冲突、命名冲突。 设计全局e r 模式的目的不在于把若干局部e r 模式形式上合并为一个 e r 模式，而在于消除冲突，使之成为能够被所有用户共同理解和接受的 同一的概念模型。 3 全局e r 模式的优化 在得到全局e r 模式后，为了提高数据库系统的效率，还应进一步依 据处理需求对e r 模式进行优化。一个好的全局e r 模式，除能准确、全面 地反映用户功能需求外，还应满足下列条件：实体类型的个数要尽可能的 少；实体类型所含属性个数尽可能少；实体类型间联系少冗余。 综上所述，“基于数字签名的学生成绩管理系统 的全局e r 模式如 图4 8 所示： 3 7 山东理工大学硕士学位论文第四章系统设计 图4 8 基于数字签名的学生成绩管理系统的全局e r 图 4 2 2 逻辑设计 由于概念设计的结果是e r 图，d b m s 一般采用关系型( 本人所使用的 m ss q ls e r v e r 就是关系型的d b m s ) ，因此数据库的逻辑设计过程就是把 e r 图转化为关系模式的过程。由于关系模型所具有的优点，逻辑设计可 以充分运用。 关系数据库规范化理论，使设计过程形式化地进行。设计结果是一组 关系模式的定义。导出初始关系模式： s t c l a ss ( 班级编号，班级名，所属系，所属学院，班主任) ； s t c o u r s e ( 课程编号，课程名，学时，学分，所属类型，简单描述) ； s t s t u d e n t ( 学号，学生姓名，学生性别，民族，出生日期，入学日 期，班级编号，籍贯，简单描述) ； s t s t u d e 肌一c o u r s e ( 学生学号，课程编号，分数，学期，签名分数， 签名上传时间) ； s t te a c h e r ( 教师编号，用户名，密码，教师姓名，所属学院，公钥， 权限) ； s t t e a c h e r c o u r s e ( 教师编号，课程编号，班级编号，学期) ： 山东理工人学硕上学位论文第四章系统设计 4 2 3 数据表设计 综合以上分析，要实现上面的所有功能模块，共需要设计六个表，它 们分别是：班级信息表、课程信息表、学生基本信息表、学生成绩信息表、 教师信息表、课程分配信息表。每个表中字段及其类型等，如表4 1 至表 4 6 所示： 表4 1 班级信息表 字段名称数据类型及长度可否为空说明 s t c l a s s j dv a r c h a r ( 5 0 ) n o 班级编号 s t c 1 a s s d e p a r t m e n tv a r c h a r ( 5 0 )所属系 s t c l a s s c o ll e g ev a r c h a r ( 5 0 )所属学院 s t c l a s s t e a c h e r i dv a r c h a r ( 5 0 )班主任编号 s t c 1 a s s n a m e v a r c h a r ( 5 0 ) 班级名字 表4 2 课程信息表 字段名称数据类型及长度可否为空说明 s t c o u r s e idv a r c h a r ( 5 0 ) n o 课程编号 s t c o u r s e n a m e v a r c h a r ( 5 0 )课程名 s t c o u r s e p e r i o di n t ( 4 )学时 s t c o u r s e