使用數(shù)字簽名實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫記錄防篡改（Java實現(xiàn)）

來源：本站原創(chuàng)|時間：2020-01-10|欄目：C#教程|點擊：次

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可以跳過此部分，但對于絕大多數(shù)同學來說，不建議這樣做。基礎(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)巍Ｖ饕^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)容對大家的學習或者工作能帶來一定的幫助，同時也希望多多支持我們！

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