中文XML论坛--XML 安全组件：增强电子商务的安全性(轉)

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http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/xml/xmlsecuritysuite/index.html
网络安全概述
随着越来越多的公司在通过网络传输结构化数据时采用 XML，文档的安全性变得愈加重要。世界互联网联盟 (W3C) 和因特网工程任务组 (IETF) 正在制定用于数字签名的 XML 词汇表。东京研究实验室则已开发出 XML 安全组件，该安全组件是 XML 签名规范的原型。XML 安全组件可以从 IBM 的 alphaWorks 获得，包括自动生成 XML 数字签名的工具。

在通过网络传输保密数据时，应保证以下四点：

机密性―其他任何人都不能访问或复制该数据。
完整性―该数据从发送者到达接收者的过程中未被更改。
身份验证―该文档确实发自所指的发送者。
无争议―发送者不可否认该文档确由其发送，也不能否认文档的内容。
SSL 能够提供前三项功能，而 XML 安全组件则能同时提供上述四项功能

创建安全会话
创建安全会话包含多个步骤：

安全服务器获得适当的安全认证（CA）。
安全服务器将其公钥发送至客户端。
客户端使用服务器的公钥产生预置密码（由客户端生成的一个随机数，但比一般的随机数要复杂得多）。服务器利用私钥对预置密码解密。
服务器在预置密码的基础上生成新的密码。服务器知道该密码，且只能被产生该预置密码的客户端解密与使用。

此过程将创建一个会话，其在特定客户端与服务器间的所有的数据交换均被加密。只有服务器和特定客户端能够相互进行数据解密。这样，机密性、完整性和身份验证均已包括。然而，SSL 不能实现无争议性，如果我的系统中有一个文件，你可以否认曾发送过这个文件，或者可以否认文件内现有内容是你所发送的。无争议性是由 XML 安全组件所提供的一项功能。

XML 安全组件
XML 安全组件提供多项重要功能：

XML 签名。此项功能的实现基于世界互联网联盟 (W3C) 和因特网工程任务组 (IETF) 正在开发的 XML 签名核心语法和处理规范。(参见资源)
W3C 规范 XML 的工作草案的实现。(参见资源。)
元素级加密。

以下各部分将分别讨论上述功能及其如何增强网络安全。

XML 签名
W3C 和 IETF 正共同致力于一项基于 XML 的数字签名的计划。该计划定义一个 <signature> 元素，其中包含处理数字签名所需的全部信息。每个数字签名均可归结为以下三类之一：

一个包含在 <signature> 元素中的 XML 元素
一个由 URI 索引的外部 XML 文档
一个由 URI 索引得外部非 XML 资源

本文例子将向您展示如何创建这些资源。如果您想了解全部细节，请参见 XML 签名方案的最新草案(参见资源

彩色代码
这篇文章的特点是彩色代码清单，这是我们在 dW 进行的一项新尝试。为产生彩色编码清单，使用了两种开放源码的工具。首先，使用 Emacs 加载文件 (Java、HTML、XML、以及其他任何文件)。Emacs 对关键字、注解、函数名和其它十来种编程语言结构分别定义颜色。使用 Emacs 加载文件并对文件着色后，使用了 HTMLize 软件包，一个使用曾经流行一时的 Emacs Lisp 语言编写的开放源码的工具。HTMLize 将 Emacs 中显示的清单原样照搬，再将其转换为 HTML。最终得到一个完全彩色代码的文件，以突出其中的关键字、注释、函数名等。

我们非常希望了解您对这些经过改进的新代码清单的看法。

如果您想亲自进行这一操作，参见资源，其中包含了相关的链接。

为了说明 XML 签名的工作原理，我生成了一个关于莎士比亚的十四行诗的名为 signature.xml 的签名文件，该文件已经应用在我的很多的XML例子中（可以通过 HTML格式浏览，也可以下载此文档。）

在这个签名文件里，带符号的元素是十四行诗，包含在 <dsig:Object> 元素中。而实际的签名包含在 <SignatureValue> 元素中，此外该文档的签名人则由 <X509Data> 元素说明。

关于示例程序
通过若干程序范例来说明 XML 安全组件的不同功能。如果想要深入了解这里所讨论的程序例子，则需要几个文件。有关如何获得这些文件的信息，请参见资源

XML 安全控件将 xss4j.jar 和 /xss4j/samples 添加至您的 classpath 中。

Java 2 Development Kit 1.2 版或更高版本。请确认这是您的系统默认的 JDK。
JavaMail 包中的 mail.jar 文件将此文件添加至 classpath 。

Java 密码扩展系统的一个实现在 Sun 的网站中可以找到密码服务提供者的目录。为避免输出过于复杂，这里的例子采用了 OpenJCE，一个免费的开放源码的库。将 jce.zip 添加至classpath中。

IBM XML 语法分析器第 2 版和 Java 3.0.1 版文件 xml4j.jar 必须位于classpath中。

创建证书
在生成数字签名前，首先要获得一份证书。尽管可以通过证书授权机构（CA）得到一份证书，但是在这里的例子中，你将充当自己的 CA。要创建在 signature.xml 中使用的 X.509 认证，可用 Java 2 的 keytool 命令：

清单 1、keytool命令

keytool -genkey -dname "CN=Doug Tidwell, OU=developerWorks, O=IBM,
L=Research Triangle Park, S=North Carolina, C=US" -keypass openstds
-storepass security -alias xss4j

在 keytool 命令中，特异名(dname)由普通名(CN)、组织单元(OU)、组织(O)、区域 (L)、州(S)和国家(C)组成。对于整个因特网，特异名被设计为唯一的。密匙库 (-storepass) 的密码为 security ，此证书的私钥的密码 (-keypass) 为 openstds ，而 xss4j 则是认证 (-alias) 的别名。
对内部 XML 资源签名
要创建数字签名，可以使用 SampleSign 应用程序。这个程序是 XML 安全组件附带的，可以在 xss4j/samples 目录中找到。我们的第一个签名将应用于内部 XML 资源。也就是说数字签名和 XML 资源都在同一文件中。下面说明如何对 sonnet.xml 进行签名，以生成 signature.xml ：

清单 2、SampleSign应用

java SampleSign xss4j security openstds -embxml
file:///d:/xss4j/samples/sonnet.xml > signature.xml

（随便说一句，此命令为单行输入。）请注意，别名、私钥密码、密匙库密码同清单 1 的 keytool 命令是相同的。另外还应注意这里用 file: URL 代替了简单的文件名，而输出内容则送至（用 >操作符）文件 signature.xml 。这条命令的执行结果是 signature.xml 中显示的文档。
对外部 XML 资源签名
对外部 XML 资源签名表明 <Signature> 文件包含 XML 资源的 URL，而不是资源本身。要创建这种数字签名，应使用 -extxml 选项：

清单 3、带有 -extxml 选项的 SampleSign 应用
java SampleSign xss4j security openstds -extxml
file:///d:/xss4j/samples/sonnet.xml > external-signature.xml

这将产生一个同 signature.xml 相似的文件，只是实际的 XML 文件未被包含在 <Signature> 中。
对非 XML 资源签名
最后的这个签名示例将为非 XML 资源生成一个数字签名。在这个例子中用到一个 GIF 文件，包含 developerWorks 的标识：

要创建数字签名，使用 -ext 选项：清单 4、带有 -ext 选项的 SampleSign 应用
java SampleSign xss4j security openstds -ext
file:///d:/xss4j/samples/dwlogo.gif > external-gif-signature.xml

验证数字签名
XML 安全组件提供了一个实用程序 SampleVerify，用于验证数字签名。使用它，可以检查给定的签名，以确认被签名的资源没有改变，此外还能检查该签名是否同发送者的证书信息相符。如果签名有效，清单 5 会显示出应当得到的结果：

清单 5、SampleVerify 应用
java SampleVerify -dom < external-signature.xml

Signer: CN=Doug Tidwell, OU=developerWorks, O=IBM, L=Research Triangle
Park, ST=North Carolina, C=US
SignedInfo Bytes: 1069
----------------------------------------
--> Location: file:///d:/xss4j/samples/sonnet.xml
Validity: Ok
--> SignedInfo: Ok
--> All: Ok
----------------------------------------

如果签名的文件被改动，该签名将不再有效。为了说明这种情况，可在 <line> 元素后面加一个空格，把 <line>My mistress' eyes are nothing like the sun,</line> 改成 <line>My mistress' eyes are nothing like the sun, </line> 。当再次检查签名，其结果将如清单 6 所示：清单 6、SampleVerify 应用（改过的文件）
java SampleVerify -dom < external-signature.xml

        Validity: NG
      Reason: Digests were mismatched.
--> SignedInfo: Ok
-->

        All: NG
----------------------------------------

由于改动过的 XML 文件同数字签名不符，这样就可以知道不能信任该文件。(如果原始文件签署者以外的其他人试图冒充该数字签名的创建者，在 SignedInfo 信息中便会显示出来。）
无争议性的乐趣
数字签名的最有用之处是能提供无争议性。如果你传送给我一份签署的文件，我能知道你就是发送者，因为签名中包括了你的公钥。另外，由于签名是基于文件内容的，所以对文件的任何改变都会使签名不符。

规范的XML
规范形式为计算数字签名，需要一个通用的方法来表示所有的 XML 文件。可以采用 W3C 的规范 XML 事物最简单的形式(韦氏学院字典，在线版)标准来进行。

即使两个 XML 文件不完全相同，它们在 XML 应用中的作用可能是一样的。看一看下面这两个元素：

清单 7、等价但不相同的 XML

如果对这两个元素进行简单的字符串比较，它们显然是不同的。然而，从 XML 处理的角度来看，它们是等价的。按照 XML 1.0 推荐标准，属性的顺序是不重要的。在 XML 源码文件中，其它非重要差异还包括属性间的空格数量以及源文件中是否实际包含带默认值的属性。为解决这一问题，W3C 正在为 XML文档定义一个规范形式。

XML 安全组件提供了一个应用程序 — XML Canonicalizer (XML 规范器)，这是对 W3C 将要出台的规范 XML 标准的原型的一个实现。要将 XML 文件转换为规范形式，可以用下面两个命令之一：

清单 8、XML 规范器

java C14nDOM sonnet.xml canonical-sonnet-DOM.xml
java C14nSAX sonnet.xml canonical-sonnet-SAX.xml

C14nDOM 应用程序使用 DOM 语法分析器，而 C14nSAX 应用程序则使用 SAX 语法分析器。虽然可以使用这些应用程序来生成 XML 文件的规范形式，但是它们仍主要用于 XML 签名代码。(随便说一句，c14n 缩写是指 canonicalization 的拼写以字母 c 开始，以字母 n 结束，中间有 14 个字母。类似地，您也会经常看到 internationalization 被写成 i18n)。

因为 XML 签名代码使用规范形式产生数字签名，所以可以对原始文件进行适当改动而不影响数字签名的有效性。例如，在标记中添加一些空格。将下行：

sonnet type="Shakespearean"

更改为
sonnet

type="Shakespearean"

进行这一更改后，再次运行 SampleVerify 应用程序，以确认数字签名仍然有效：

清单 9、SampleVerify 应用程序 (文件的规范形式)

java SampleVerify -dom  external-signature.xml
Signer: CN=Doug Tidwell, OU=developerWorks, O=IBM, L=Research Triangle
Park, ST=North Carolina, C=US
SignedInfo Bytes: 1069
----------------------------------------
--> Location: file:///d:/xss4j/samples/sonnet.xml
    Validity: Ok
--> SignedInfo: Ok
--> All: Ok
----------------------------------------

尽管文件不同，然而其差异没有语义重要性。因为 XML 安全组件使用 XML 文件的规范形式，语义上不重要的差异被忽略。

元素级加密
XML 的一个长处在于可以选择元素名，从而使标记文件更具可读性。作为一个例子，参见清单 10 中用XML 编写的客户订单。(也可以下载该文件)。

清单 10、 custorder.xml

<?xml version="1.0"?>
<!DOCTYPE customer_order SYSTEM "custord.dtd">
<customer_order>
  <items>
    <item>
      <name>Turnip Twaddler</name>
      <qty>3</qty>
      <price>9.95</price>
    </item>
    <item>
      <name>Snipe Curdler</name>
      <qty>1</qty>
      <price>19.95</price>
    </item>
  </items>
  <customer>
    <name>Doug Tidwell</name>
    <street>1234 Main Street</street>
    <city state="NC">Raleigh</city>
    <zip>11111</zip>
  </customer>
  <credit_payment>
    <card_issuer>American Express</card_issuer>
    <card_number>1234 567890 12345</card_number>
    <expiration_date month="10" year="2004"/>
  </credit_payment>
</customer_order>

这个文件包括三部分， <items> 元素列出顾客定购的各项内容， <customer> 元素包含了客户的信息，而 <credit_payment> 部分描述了用于支付该订单的的信用卡信息。(致初级网络窃贼：实际上，上面的信息不是我的信用卡号码。如果你能利用此信息购买商品和服务，请不要忘了跟我说一声。)

早期的因特网用户不愿意使用信用卡进行在线购物。这时，许多电子商务支持者指出无论如何信用卡支付总是要冒一定风险的。通常我把信用卡交给饭店的服务员，我相信我的信用卡不会被用来支付我的餐费以外的其它东西。同样，当我在线购买时，我相信商家不会用我的信用卡支付未经我认可的款项。

利用 XML 安全组件的元素级加密功能，可以对敏感信息进行加密。这样，商家也不能看见这些信息。商家可以把加密信息传给信用卡处理机构，这些机构拥有正确的密匙，可对敏感信息解密。这样将能极大地提高现行的典型处理方式的安全性。

为了说明元素级加密，我对 XML 安全组件所带的 CipherTest.java 文件稍做更改。(参见被修改文件的源文件。) 我将对所做的更改进行说明，以对元素级加密的工作原理进行解释。

对 CipherTest.java 的第一项改变是导入 OpenJCE 库，然后将 ABAProvider 类定义为密码提供者：

清单 11、CipherTest.java 更改 (导入 OpenJCE 类)

import au.net.aba.crypto.*;
import au.net.aba.crypto.provider.*;
import au.net.aba.crypto.spec.*;...

public class CipherTest {

  public static void main(String[] args) {
    if (args.length < 3) {
      System.err.println("Usage: CipherTest -e|-d passphrase infile outfile");
      return;
    }

        java.security.Security.
         addProvider(new au.net.aba.crypto.provider.ABAProvider());

替代调用 java.security.Security.addProvider 方法，可以修改 java.security 文件 (见 JavaHome/lib/security )，将下面一行：

"security.provider.1=sun.security.provider.Sun"

替换为：

"security.provider.1=au.net.aba.crypto.provider.ABAProvider"

其它更改只剩下修改代码，使之能够对任何 <credit_payment> 元素进行加密：

清单 12、 CipherTest.java 更改 (加密元素)

if (n.getNodeType() == Node.ELEMENT_NODE) {
    //System.out.println(((Element)n).getTagName());
    if ((ne != null &&
        ((Element)n).getTagName().equals(

        "credit_payment"))
        ||
        (nd != null &&
        ((Element)n).getTagName().equals("EncryptedElement"))) {
        child = n;
        break;

要演示这一功能，可以运行 CipherTest，同原始的 XML 文件进行对比。应用程序 CipherTest 在命令行中使用了一个密码：

清单 13、 CipherTest 应用程序
java CipherTest -e security custorder.xml encrypted-custorder.xml

这将创建 encrypted-custorder.xml 文件，如清单 14 所示。(也可以下载这个文件。)

清单 14、 encrypted-custorder.xml

<?xml version="1.0"?><customer_order>
  <items>
    <item>
      <name>Turnip Twaddler</name>
      <qty>3</qty>
      <price>9.95</price>
    </item>
    <item>
      <name>Snipe Curdler</name>
      <qty>1</qty>
      <price>19.95</price>
    </item>
  </items>
  <customer>
    <name>Doug Tidwell</name>
    <street>1234 Main Street</street>
    <city state="NC">Raleigh</city>
    <zip>11111</zip>
  </customer>

        <EncryptedElement algorithm="DES/CBC/PKCS5Padding" contentType="text/xml"
  encoding="base64" iv="S5Rirg//pNQ="> vJqNpDrQT1vmCVbyGJfIwdIDBYoGXGmutgz6TVGoPuKVG7I
  xNEN50iKw8pmtxFixz5hOChOXgTtPqktQhEHO5+vLOLAFgIioDIRQGHHmHng3CLd+8tvrT8wxPBCRSMUpx4
  d2TGXW2tqSepam0ZxdmwUXwNSAgaR8hmiromD+bh+tDomPv7eFZ4no5ft3JG3t0trLlwVupF/5vaIJimUSm
  uUkkgyG8x9AcS/kXJxHpmM=peqGzIMf+8A=

        </EncryptedElement>
</customer_order>

在这个加密的 XML 文件中，元素 <credit_payment> 被替换为 <EncryptedElement> 元素。文件中没有任何参数指示共对多少个元素进行加密、加密元素名称、加密元素的结构或顺序等。为保证加密文件的保密性，我们在源文件中没有使用 <!DOCTYPE 声明。加密文件不能使用 DTD，也不能包括任何可能显示加密元素结构的索引。如果对带有 <!DOCTYPE 声明的 XML 文件进行加密，解密过程不能工作。(得到的错误信息没有什么帮助；将显示 java.lang.NullPointerException at CipherTest.main(CipherTest.java:83) ，或其它同样没用的提示信息。)

要恢复原始文件，使用 -d (decrypt/解密) 选项代替 -e (encrypt/加密) 选项。确认你用的密码是相同的。

清单 15、 CipherTest 应用程序 (-d 选项)
java CipherTest -d security encrypted-custorder.xml restored-custorder.xml

这会将加密文件恢复为原始状态。注意，元素级加密使用规范的 XML，所以恢复后的文件同原始文件的语法可能并不完全一样。然而，然而，这些差异在语义上都不是特别重要。

其它工具
XML 安全组件另外还提供了两种工具，包括一个 ASN.1 到 XML 的翻译器和多种 DOMHASH 工具。ASN.1 到 XML 的翻译器自动在 ASN.1 数据(如 X.509 认证和 LDAP 数据)和 XML 间进行翻译。(有关 ASN.1 的详细信息，参见资源)。DOMHASH 是一种算法，为 XML 文件树中一个给定节点生成唯一的哈希数。XML 安全组件中所包括的 DOMHASH 工具计算给定节点的哈希数，另外还提供了一套 DOMHASH 测试工具。alphaWorks 包含一个 DOMHASH 应用程序，叫做 XMLTreeDiff(参见资源)；它使用 DOMHASH 来确定两个 DOM 树的差异。

总结
XML 安全组件提供了多项功能，以增强 XML 文件的安全性。所有这些技术都能为现有的网络安全体系所应用。随着 XML 文件交换日益重要，XML 安全组件中的技术将提供重要的安全功能。最重要的是，这些技术建立在开放的新兴标准下，而且能在任何支持 Java 的平台上进行工作。如果你对这种即将被全世界所采用的安全技术感兴趣，XML 安全组件确实值得一看。

参考资料

您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的英文原文.

在世界电信联盟网站里，可以找到ASN.1 基本标记规范和完整的 ASN.1 标准集

有关规范 XML 的细节，请参见由 W3C 提供的规范 XML 工作草案。

一本关于密码学的好书， Applied Cryptography (使用密码技术)，作者 Bruce Schneier。《Wired》杂志评价该书时称“这是一本国家安全局永远不希望出版的书”，它包含所有你能想到的关于密码学的内容，甚至更多。

了解并下载 Java 密码系统扩展，查看一个加密服务提供者目录。

从 Sun、 IBM和其它网站，可以下载 Java 2 Development Kit 1.2 版或更高版本。

了解并下载 JavaMailAPI 实现，这是一组模拟邮件系统的抽象类。

如果你对 Java 安全性感兴趣，请参见 Java 指南的安全追踪。

了解并下载 Open JCE，一个免费的开放源码的 JCE API 实现。

从 alphaWorks 下载 IBM XML Parser for Java Version 3.0.1。

从 alphaWorks 下载 XML Security Suite。下载包中包括代码、文件以及本文讨论的全部程序实例。

参考 XML 签名工作组的主页，该工作组是 W3C 和 IETF 的合作伙伴。可以得到最新版本的 XML 签名设计方案。

使用来自 alphaWorks 的 XMLTreeDiff来辨认 DOM 树的差别，其中用到本文简要介绍过的 DOMHASH 算法。

还可以找到由 ITU 定义的 X.509 证书标准。从包括 VeriSign 在内的诸多认证机构均可获得 X.509 证书。

有关使用 Emacs 将程序清单处理成彩色代码的信息，参见 www.gnu.org。HTMLize 包则可以从 jagor.srce.hr获得。

关于作者
Doug Tidwell 是 IBM 高级程序员。他具有 16 年以上的编程经验，同基于标记的应用程序打交道也已经愈 10 年。正如 IBM 的 Simon Phipps 所说，他作为一名“数码福音传道者”，其工作就是“化繁为简”。在其雇主的特殊安排下，他正致力于巧克力软糖的研究。他拥有 Vanderbilt 大学计算机科学硕士学位和 Georgia 大学英语学士学位。可以通过电子邮件 dtidwell@us.ibm.com 同他联系。


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