JavaSE6基于JSR105的XML签名是怎样实现的

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我们开始分析一个实际的XML签名示例应用程序。

一、 密码学密钥和证书

现在，我们已经准备好我们的XML签名示例应用程序。

让我们首先分析下列XML文档-./etc/invoice.xml：

我们计划使用一个XML签名对它进行签名并且希望使用一个基于一个公共密钥的签名方法。

让我们先生成密码学密钥。为此，我们可以使用JDK中提供的keytool工具-把该程序移动到./etc文件夹下，并且执行下列命令：

这个命令能够创建密钥并预以存储-名字为bizkeystore，存储在工作目录./etc下，并且指定它的口令为sp1234。它还生成一个针对实体（它包含有一个卓著的名字-Young Yang）的公有/私有密钥对。【注意】，这里使用DSA密钥生成算法来创建公有/私有密钥-都为512位长。
上面的命令进一步创建了一个自签名的证书，这是使用SHA1的DSA算法(JSR-105注释中的DSA_SHA1，其中包括了公共密钥和前面那个卓著名字信息)实现的。这个证书将保持180天的有效期并且关联与一个密钥存储文件（此处引用的别名为"biz"）中的私有密钥。该私有密钥被赋予口令kp1234。

我们的示例中包括一个简单的Java类-KeyStoreInfo，用于把存储于前面的密钥存储文件中的密钥和证书信息输出到System.out；这个类也用于应用程序从中取得密钥对-这里的私有和公共密钥匹配作为输入参数指定的条件。为了试验它能够输出包含在前面存储文件bizkeystore中的信息，读者可以运行Ant目标ksInfo。

下列代码片断显示KeyStoreInfo中的用来检索一个KeyPair的方法：

借助于一个KeyPair，我们可以容易地得到PrivateKey和PublicKey-通过调用相应的操作getPrivate()和getPublic()实现。

为了从KeyStore中得到一个PublicKey，我们并不真正需要在上面的方法中所要求的密钥口令，而这正是下列方法所实现的：

在上面两部分代码片断中，方法KeyStore loadKeyStore(String store，String sPass)是一个工具函数，用于实例化一个KeyStore对象，并且从文件系统加载入口。我们以如下方式实现它：

伴随JDK提供的keytool还可以把存储在一个密钥储存文件内的证书输出到系统文件中。例如，为了创建一个包含X509证书（关联于别名为biz的密钥入口）的biz.cer文件，我们可以从文件夹./etcdirectory下运行下列命令：

keytool -export -alias biz -file biz.cer -keystore bizkeystore -storepass sp1234

这个证书实现认证我们讨论上面的公共密钥。

我们还在示例中包括了一个Java类-CertificateInfo，用于把一个证书中的一些有趣的信息输出到System.out。为了试验这一点，读者可以运行Ant目标certInfo。然而，要理解该代码及其输出，必须具有DSA和RSA算法的基本知识。当然，读者可以安全地绕过这个程序而继续阅读本文后面的内容。

二、 生成一个Enveloping签名　　这一节讨论借助于JSR-105 API及其缺省实现来实现对invoice.xml文件的签名。

我们的示例中创建了一个enveloping签名。注意，当你想使用在一种detached或enveloped签名情形下时，也仅需对本例作一些细微修改。

下面，让我们分析程序Sign.java，它能够生成invoice.xml文件的XML签名。

为了试验这个程序，读者可以运行Ant目标签名-它将创建一个XML文档./etc/signature.xml。这就是所谓的XML签名。为了保持我们的代码更为整洁和集中，我们省略了分析XML和转换DOM树中所有相关的格式设置。结果是，signature.xml文件成为一个有些凌乱的文本文件。

现在，让我们详细分析一下这个程序来说明如何在JSR-105中对一个XML签名进行签名。

签名invoice.xm的过程可以分解为如下九个步骤。

【步骤1】加载一个XMLSignatureFactory实例。这个工厂类将负责构建几乎所有主要的对象-我们在JSR-105中API中处理XML签名时需要使用这些对象，除了那些与KeyInfo相关的对象之外。

【步骤2】选择一个digest方法并创建相应的Reference对象。我们使用在〖步骤1〗中创建的XMLSignatureFactory实例来创建DigestMethod和Reference对象。

在XMLSignatureFactory中的针对DigestMethod对象的工厂操作如下所示：

【注意】这个params参数用来指定digest算法可能需要的参数；在SHA-1，SHA-256或SHA-512的情况下，我们可以使用null。

为了创建一个Reference对象，XMLSignatureFactory提供了四种操作：

为了全面地理解在那些操作中的输入参数的意思，我们需要分析一下在W3C建议中的Reference元素的XML模式定义：

其中，URI属性参考Reference相应的数据对象。

对于我们的示例来说，我们使用SHA-1作为digest方法，并且使用#invoice来在相同的XML签名文档（它包含这个Reference对象的XML描述）中引用一个元素。由#invoice所引用的元素正是我们要在下一步所要讨论的内容。

[@more@]【步骤3】加载invoice.xml并且用一个XMLObject对象把它包装起来。注意，并非所有的签名生成过程都要求这个步骤。XMLObject在JSR-105中对于我们以前简短地讨论过的可选的Object元素进行建模。该Object元素具有下列模式定义：

XMLSignatureFactory提供下列方法来创建一个XMLObject实例：

public abstract XMLObject newXMLObject(List content， String id，String mimeType，String encoding)

我们使用一个DOMStructure对象来包装invoice.xml的根结点。在JSR-105中定义的DOMStructure可以帮助从原始待签名的XML文档中把结点导入到JSR-105运行时刻。

我们指定#invoice作为结果对象元素的id。JSR-105实现知道在步骤2中创建的引用对象参考invoice.xml文档，因为这个id把它们链接在一起(在Reference一边，URI属性指向这个id)。

【步骤4】创建SignedInfo对象。在W3C建议中，SignedInfo元素具有下列模式定义：

为了创建一个SignedInfo对象，我们需要在〖步骤2〗中创建的Reference；我们还需要两个实例-一个是CanonicalizationMethod的实例，另一个是SignatureMethod的实例。我们建议感兴趣的读者参考一下规范说明书从而对这四种XML规范算法有一个更为精确的了解；在此，我们只是简单地指出，在我们决定选择一个特定的算法-alg后，后面对XMLSignatureFactory的一个实例（即fac）的调用将会创建CanonicalizationMethod的实例：

我们可以创建一个SignatureMethod实例-通过调用下列在XMLSigantureFactory中定义的操作：

在我们的示例中，我们拥有一个DSA类型密钥对；因此，我们需要选择一个基于DSA的算法-例如DSA_SHA1。对于DSA-SHA1，我们可以把params参数设置为null。

为了创建一个SignedInfo实例，XMLSignatureFactory定义了如下两个工厂方法：

在第二个工厂方法中的第二个参数-id响应于XML签名文档中的SignedInfo元素的Id属性。

【步骤5】-获得签名私有密钥。

在我们的示例中，我们展示了三种不同的方法来得到该私有密钥。在第一种方法中，我们调用我们的KeyStoreInfo类的getPrivateKey()方法来检索我们使用keytool创建的DSA类型私有密钥，并且把它储存在密钥存储文件-bizkeystore(前面的5.0情形)中。为了获得该私有密钥，我们还可以从bizkeystore中检索该KeyPair-通过调用KeyStoreInfo的getKeyPair()方法，然后调用KeyPair实例(5.1.2情形)的getPrivate()。另一方面，JCA提供了一个名字为KeyPairGenerator的类用于根据需要随时动态地创建一个KeyPair，这正是Sign.java中的情形5.1.1提到的情况。

读者还应该注意，JSR-105允许通过一个KeySelector对象获得私有密钥。我们在下节讨论KeySelector时还要详细分析。

【步骤6】创建一个KeyInfo对象。这一步是可选的，就象KeyInfo作为签名元素中的一个元素是可选的一样。在我们的示例的情形6.0下，我们使KeyInfo成为null；这样以来，可以完全从结果XML签名中忽略它。

W3C建议和JSR-105定义RSA的KeyValues以及DSA类型for wrapping，respectively，RSA和DSA公共密钥，并允许它们成为KeyInfo的内容。我们的示例中的情形6.1从我们以前使用JDK keytool生成的公共密钥中创建一个KeyValue对象，并且把它放到一个KeyInfo对象。后面，当讨论我们的核心校验程序时，我们将看到它如何使用这样的一个KeyInfo对象来检索公共密钥以用于签名校验。

在JSR-105中，我们通过调用一个KeyInfoFactory实例中的操作创建了KeyValue和KeyInfo对象。其中，KeyInfoFactory负责创建所有主要的与KeyInfo相关的对象-例如KeyName，KeyValue，X509Data等。我们可以以与我们在〖步骤1〗得到XMLSignatureFactory实例相同的方式得到一个KeyInfoFactory实例。我们的示例调用XMLSignatureFactory对象的getKeyInfoFactory()方法取得KeyInfoFactory实例。

我们的示例的情形6.2将创建一个X509Data对象-使用我们以前借助于工具keytool从bizkeystore中导出的证书biz.cer，然后把这个对象作为内容放入一个KeyInfo对象中。再次，后面我们将讨论的核心校验程序将证明我们如何从这样的一个KeyInfo对象中取得用于签名校验的公共密钥。

【步骤7】创建一个XMLSignature对象。在JSR-105中，XMLSignature接口为W3C中建议的签名元素实现了建模。我们已经在前面看到该签名元素的结构。为了创建一个XMLSiganture实例，我们可以在XMLSignatureFactory中调用下列两个方法之一：

第二个方法中的id和signatureValueId参数将成为结果XML签名文档中的XML元素ID。在我们的示例中，该XML签名将拥有一个Object元素；因此，我们需要使用第二个工厂方法。

【步骤8】实例化一个DOMSignContext对象，并且使用它注册私有密钥。XMLSignContext接口(DOMSignContext实现它)包含用于生成XML的上下文信息签名。

DOMSignContext提供了几种形式的构造器-签名应用程序用来注册要使用的私有密钥，并且这也是我们的示例中所采用的方法。

在继续讨论签名过程的最后步骤之前，我们需要指出XMLSignContext和DOMSignContext实例都可能包含特定于它们所使用的XML签名结构的信息和状态。该JSR-105规范中声明：如果一个XMLSignContext(或DOMSignContext)与不同的签名结构一起使用，那么，结果将是无法预料的。例如，我们不应该使用相同的XMLSignContext(或DOMSignContext)实例来签名两个不同的XMLSignature对象。

【步骤9】签名。XMLSignature接口中的sign()操作实现签名XMLSignature。其实，该方法还实现若干操作，包括基于相应的digest方法计算所有引用的digest值，并且基于该签名方法和私有密钥计算签名值。该签名值被XMLSignature实例中的嵌入式SignatureValue类所捕获，而对XMLSignature实例的getSignatureValue()方法的调用将返回使用结果值填充的SignatureValue对象。

在我们的签名程序的最后，我们把XMLSignature编排成一个XML文档-signature.xml。

三、 XML签名核心校验　　在前面一节中，我们把invoice.xml文档签名成一个在signature.xml文件中捕获的enveloping XML签名。

为了校验该签名，我们可以使用下列程序-Validate.java：

要试验这个程序，读者可以运行Ant目标校验。该程序把核心校验状态打印到System.out。如果签名是有效的，将输出"Signature passed core validation!"；否则，输出结果中将展示引用和签名的校验状态；而这样以来，我们就可以准确地搞清楚是它们其中的哪一些导致了此次失败。

校验signature.xml的过程可以分解成六个步骤。

步骤1-加载一个XMLSignatureFactory实例，这一步与在签名程序中是一样的。

步骤2-加载要校验的XML签名。在这一步中，我们需要把包含XML签名的XML加载到内存中并且把该XML文档转换成一棵DOM树。

步骤3-识别DOM树中的签名结点。签名是在命名空间http://www.w3.org/2000/09/XMLdsig#中定义的，它被描述为在JSR-105中的XMLSignature接口的静态变量XMLNS。

步骤4-创建一个DOMValidateContext实例。

一个校验上下文中的一项最关键的信息显然是密钥。我们可以使用DOMValidateContext并通过两种不同的方法来注册公共密钥。在第一种方法中，如果校验应用程序已经拥有公共密钥，它可以把该密钥直接通过下列DOMValidateContext的构造器放入上下文中：

这正是在我们的示例中的情形4.3。

第二个方法将使用DOMValidateContext注册一个KeySelector，并且让该KeySelector选择公共密钥-基于在要校验的XMLSignature对象中可用的信息。在JSR-105中，KeySelector是一个定义了两个操作的抽象类：

第二个操作创建一个总是返回相同密钥的KeySelector。第一个操作试图选择一个密钥-它能够满足作为输出传递的要求。

KeySelectorResult是JSR-105中的一个接口-该规范中要求这个接口包含一个使用KeySelector选择的Key值。在我们的示例中，我们使用SimpleKeySelectorResult类实现这个接口-简单地包装选择的公共密钥。

在我们的示例中，我们实现并利用三个不同的KeySelectors来说明一个校验应用程序工作的一些情形。

在情形4.0中，KeyStoreKeySelector基于输入参数从一个Key存储中检索公共密钥。

在情形4.1中，KeyValueKeySelector基于在输入KeyInfo对象(它应该包含一个KeyValue对象作为它的内容的一部分；请参考Sign.java中的情形6.1)中的KeyValue信息选择一个键值。

在情形4.2中，X509KeySelector基于包含在KeyInfo对象(它应该包含一个X509Data对象作为它的内容的一部分；请参考Sign.java中的情形6.2)中的X509Data及其它信息选择一个键。我们使用的是JSR-105中的X509KeySelector-其原作者是Sean Mullan。在此，我们稍微修改了一下其中的私有certSelect()方法以便它可以适合于我们使用keytool生成的证书。

既然签名中的KeyInfo可能包含各种信息，显然，一个应用程序必须选择一个KeySelector实现-由它来使用包含在它将处理的KeyInfos中的信息。

步骤5-把签名结点反编排成一个XMLSiganture对象。在上一步骤中，我们把signature.xml文件加载进一棵DOM树-由相应于树中的Signature元素的结点所标识，并且使用一个DOMValidateContext和KeySelector(或私有密钥)注册该结点。为了校验该XML签名，我们需要把Signature结点反编排为一个XMLSignature对象。这是通过调用下列XMLSignatureFactory操作实现的：

步骤6-校验XML签名。这是通过调用XMLSignature实例的validate()方法实现的-以DOMValidateContext作为唯一的输入参数。

该validate()方法根据在W3C建议中定义的核心校验过程校验XML签名。如前面所提及，这个过程包括两个部分。其一是校验所有的参考。在JSR-105中，这可以通过调用Reference接口的validate()操作来实现-以相关的校验上下文作为输入参数。

该核心校验的第二部分是签名校验-校验规范的SignedInfo元素的签名值。借助于JSR-105，我们可以显式地完成这一部分-通过调用与XMLSignature实例相关联的SignatureValue对象的validate()方法实现，并以相关的校验上下文作为输入参数。

在我们的示例中，我们使用这样的知识来输出每一个Reference和SigantureValue的校验状态-当XML签名(核心)校验失败时；这样以来，我们就可以得到导致失败的更为详细的信息。

四、 修改XML签名　　为了表明该校验程序确实能够捕获对生成的XML签名的修改，我们可以在我们的示例中创建一个Tamper.java程序，允许我们修改清单中的信用卡号（或signature.xml文件中的SignatureValue元素）。

这个程序使用XML签名文档和一个布尔值作为参数。当该布尔参数为true时，程序改变信用卡号；否则，它修改签名值。

为了运行它，读者可以执行经修改的Ant目标。在运行这个修改的程序后，如果我们再次运行该校验程序，核心校验将失败，并且System.out将分别输出引用和签名校验的状态。随着第二个Boolean输入参数值的不同，引用与/或签名校验可能报告失败。

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