資料的封條: 數位簽章 原理說明

[設計案例] "授權碼" 如何實作? 2016/02 (本篇系列文章) #1. 需求與問題 #2. 授權碼序列化 #3. 數位簽章 #3. (補) - 金鑰的保護

數位簽章（又稱公鑰數位簽章）是一種類似寫在紙上的普通的物理簽名，但是使用了公鑰加密領域的技術實現，用於鑑別數位信息的方法。一套數位簽章通常定義兩種互補的運算，一個用於簽名，另一個用於驗證，但法條中的電子簽章與數位簽章，代表之意義並不相同，電子簽章用以辨識及確認電子文件簽署人身分、資格及電子文件真偽者。而數位簽章則是以數學演算法或其他方式運算對其加密，才形成電子簽章，意即使用數位簽章才創造出電子簽章。

1. [caption id="" align="alignright" width="181"] 電影: 模仿遊戲[/caption] 在不安全的管道，從事一對多的安全通訊: 電影 "模仿遊戲" 裡演的德軍密碼機 "ENIGMA"，其實就可以算是對稱式加密了。德軍的密碼官都有本 code book, 每天換密碼，只要你有正確的組態，加上一台 ENGIMA，你就可以把軍令打進去，會自動被轉成密文透過不安全的無線電傳送。在戰場的另一頭，友軍就可以從廣播接收到訊息，並且用有同樣設定的 ENIGMA 解碼。電影情節我想看過的人都知道了，沒有正確的組態情況下，圖靈的團隊可是吃盡苦頭才掌握到破解的關鍵。
2. 在不安全的管道，從事一對一的安全通訊: 如果你要通訊的對象只有一個 (A -> B)，用非對稱式加密就可以輕鬆辦到。A 拿自己的 private key + B 的 public key，把資料加密，傳送給 B。B 接到後再用 A 的 public key + B 的 private key，就可以順利的解開密文。整個過程中，暴露在外的只有三個部分: 加密過的密文、A 的 public key、B 的 public key。這些都是可以放心在外傳遞的，沒有 A 的 private key, 是沒有辦法仿造 A 的身分發文的，沒有 B 的 private key，是沒有辦法解開這密文的。
3. 證明資料的來源是我本人，且未經破壞或修改: 這就是數位簽章。先取得整份資料的 Hash (雜湊值)，再用我的 private key 來加密 Hash，加密後的密文就是所謂的數位簽章 (digital signature)。我只要把這簽章跟原始的資料打包放在一起，供人任意取用，收到這份資料的人若想確認資料是不是我送出來的，只要同樣拿原始資料 (明文) 計算一次 Hash, 同時用我的 public key 把 signature 解密，可以拿到另一份被還原的 Hash, 這兩份 Hash 逐一比對，如果結果一模一樣，那就證明資料是出自我手中，可以放心閱讀。

實作說明: 數位簽章 + 授權碼 實作

private static string _CurrentSiteID = null;
private static RSACryptoServiceProvider _CurrentRSACSP = null;
private static Dictionary<string, RSACryptoServiceProvider> _PublicKeyStoreDict = null;
private static HashAlgorithm _HALG = new SHA256CryptoServiceProvider();

/// <summary>
/// 初始化，呼叫其他 static method 前必須先正確的執行初始化動作。
/// siteID 的 KeyXML 必須包含 private info
/// </summary>
/// <param name="siteID">目前環境的 Site ID</param>
/// <param name="keyDIR">存放 KEY xml 的磁碟目錄</param>
public static void Init(string siteID, string siteKeyFile, string keyDIR)
{
    // ToDo: 改成使用 key container
    if (string.IsNullOrEmpty(keyDIR) == true || Directory.Exists(keyDIR) == false)
    {
        keyDIR = @"D:\KEYDIR";
        if (Directory.Exists(keyDIR) == false) Directory.CreateDirectory(keyDIR);
    }

    Dictionary<string, string> _xmldict = new Dictionary<string, string>();
    foreach (string file in Directory.GetFiles(keyDIR, "*.xml", SearchOption.TopDirectoryOnly))
    {
        _xmldict.Add(
            Path.GetFileNameWithoutExtension(file),
            File.ReadAllText(file));
    }

    Init(
        siteID, 
        (File.Exists(siteKeyFile))?(File.ReadAllText(siteKeyFile)):(null),
        _xmldict);
}

/// <summary>
/// 初始化，呼叫其他 static method 前必須先正確的執行初始化動作。
/// siteID 的 KeyXML 必須包含 private info
/// </summary>
/// <param name="siteID">目前環境的 Site ID</param>
/// <param name="keyXmlDict">包含所有 site 的 key xml dictionary</param>
public static void Init(string siteID, string siteKeyXml, Dictionary<string, string> keyXmlDict)
{
    Dictionary<string, RSACryptoServiceProvider> _tempKeyStoreDict = new Dictionary<string, RSACryptoServiceProvider>();
    foreach(string site in keyXmlDict.Keys)
    {
        RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider();
        rsa.FromXmlString(keyXmlDict[site]);
        _tempKeyStoreDict.Add(site, rsa);
    }

    //if (_tempKeyStoreDict.ContainsKey(siteID) == false) throw new ArgumentException("siteID(" + siteID + ") not found");
    //if (_tempKeyStoreDict[siteID].PublicOnly == true) throw new ArgumentException("must include private key");

    _CurrentSiteID = siteID;
    if (string.IsNullOrEmpty(siteKeyXml) == false)
    {
        _CurrentRSACSP = new RSACryptoServiceProvider();
        _CurrentRSACSP.FromXmlString(siteKeyXml);
    }
    _PublicKeyStoreDict = _tempKeyStoreDict;
}

<RSAKeyValue>
  <Modulus>tkh6g17prMpaRC+p7Q4FQHuTti5ekcjWNqQC9Qh3tsrkyq4pp+lytagR6y6q9zSA57UQy3cURJt/0km2W0v31yC9YFmhZ6fbmCfUCBmxbvb1CzgkFP3fx6cipRzScCpIMmUXcvtpvKR+fWbt1i9ohoT8Sk2zTGd4dqyFTselNGc=</Modulus>
  <Exponent>AQAB</Exponent>
  <P>7ZU2GJKEJTSIr648g/2m2GgBggTVTY6uehkGSH/pnyuc1517Jy2BBThMK7Sa1vvcmcnJYYKd9KhnpdcYgJXVJQ==</P>
  <Q>xGnan823m0OB9r7fltqMVE1MOILqmLDldN6gRB0fWnihFSMQoxQJBqdfvbqdnwRKPygMMXjOoxf13noP67Vbmw==</Q>
  <DP>6LbZMCSD7/WPVZXzjM4uWZc2suaNENULrmlIsEcqzVBo5wJImU2HLVfBtKXJbX9yy+jNqwfINNen/te8FmetSQ==</DP>
  <DQ>lm8IzoqOTPHokabhszXScyL89O94ZNhf9iIpF+JCSFXJ8ll3/Z9zxk/daYCMBuYPQ84VgLKpeYr5ept8pCi0bw==</DQ>
  <InverseQ>5Wn1A4VEJAI0F/3sMvzEm5CL2dLb5/Xo6yYg9HH6WuVnMr9p7DMcHce7FjCqKNIcC9QsFiuS/NpEMQ0QvUsgjA==</InverseQ>
  <D>E7GL7vKLq3vnObOul6pqnddcE5Q56mU444lfumpySKDuDAm5/Wam2oJwgSi3FuMoxB/XUywn1+u26RjGp2FzQq9mx0KkQGKM6mZfIMMVZDTLIyVVhQn66GuO1Zbt9hqWtBxmQy8X6TN9ASQeUFsOMDvtm0PrBrax7KHf1H8NIBU=</D>
</RSAKeyValue>

<RSAKeyValue>
  <Modulus>tkh6g17prMpaRC+p7Q4FQHuTti5ekcjWNqQC9Qh3tsrkyq4pp+lytagR6y6q9zSA57UQy3cURJt/0km2W0v31yC9YFmhZ6fbmCfUCBmxbvb1CzgkFP3fx6cipRzScCpIMmUXcvtpvKR+fWbt1i9ohoT8Sk2zTGd4dqyFTselNGc=</Modulus>
  <Exponent>AQAB</Exponent>
</RSAKeyValue>

/// <summary>
/// 
/// </summary>
/// <param name="token"></param>
/// <returns></returns>
public static string EncodeToken(TokenData token)
{
    // TokenData 經過序列化之後的 binary data (使用 BSON format)
    byte[] data_buffer = null;
    {
        MemoryStream dataMS = new MemoryStream();
        using (BsonWriter bw = new BsonWriter(dataMS))
        {
            JsonSerializer js = new JsonSerializer();
            token.TypeName = token.GetType().FullName;
            js.Serialize(bw, token);
        }
        data_buffer = dataMS.ToArray();
    }
            
    // data_buffer 的簽章
    byte[] sign_buffer = null;
    {
        //sign_buffer = _PublicKeyStoreDict[_CurrentSiteID].SignData(
        sign_buffer = _CurrentRSACSP.SignData(
            data_buffer,
            _HALG);
    }

    // 打包 data_buffer, sign_buffer
    return string.Format(
        @"{1}{0}{2}",
        _SplitChar,
        Convert.ToBase64String(data_buffer),
        Convert.ToBase64String(sign_buffer));
}

/// <summary>
/// 
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="tokenText"></param>
/// <returns></returns>
public static T DecodeToken<T>(string tokenText) where T : TokenData, new()
{
    bool isSecure;
    bool isValidate;
    T token = TryDecodeToken<T>(tokenText, out isSecure, out isValidate);

    if (isSecure == false) throw new TokenNotSecureException();

    if (isValidate == false) throw new TokenNotValidateException();

    return token;
}


/// <summary>
/// 
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
/// <param name="tokenText"></param>
/// <param name="isSecure"></param>
/// <param name="isValidate"></param>
/// <returns></returns>
public static T TryDecodeToken<T>(string tokenText, out bool isSecure, out bool isValidate) where T : TokenData, new()
{
    string[] parts = tokenText.Split(_SplitChar);

    if (parts == null || parts.Length != 2) throw new TokenFormatException();

    byte[] data_buffer = Convert.FromBase64String(parts[0]);
    byte[] sign_buffer = Convert.FromBase64String(parts[1]);

    // 還原 token 物件，將資料反序列化還原為 object, 同時驗證 token 的授權是否合法
    T token = null;
    //string siteID = null;
    {
        MemoryStream ms = new MemoryStream(data_buffer, false);
        using (BsonReader br = new BsonReader(ms))
        {
            JsonSerializer js = new JsonSerializer();
            token = js.Deserialize<T>(br);

            if (token == null) throw new TokenFormatException();
        }
        isValidate = token.IsValidate();
    }

    // 檢查 signature, 確認 token 的安全性，確保資料沒有被偽造
    if (_PublicKeyStoreDict.ContainsKey(token.SiteID) == false) throw new TokenSiteNotExistException();

    isSecure = _PublicKeyStoreDict[token.SiteID].VerifyData(
        data_buffer,
        _HALG,
        sign_buffer);

    return token;
}

實際應用: ASP.NET MVC5 啟動時檢查授權碼

{
  "Data": {},
  "Logging": {},
  "License": {
    "TokenData": "nwAAAAJTaXRlVGl0bGUACAAAAFNJVEUgIzEACEVuYWJsZUFQSQABCUxpY2Vuc2VTdGFydERhdGUAADgYadwAAAAJTGljZW5zZUVuZERhdGUAAAjmJbsDAAACU2l0ZUlEAAcAAABHTE9CQUwAAlR5cGVOYW1lACQAAABBbmRyZXcuQXBpRGVtby5TREsuU2l0ZUxpY2Vuc2VUb2tlbgAA|0ofhHMSEHQGZMOafFQxF6zfQchnThv+iPc7PrFZMrL89dkxvYvkYjHhUYLgHNOVz3RGXMxAMQVnwZjrHRNz5GLkaLs19wl1HWCt9kOdWQI/zkvS129IZntdoM4hnN9F/aeVnsDtSS82lx+ESTIh2Wcp5wVwowkzI3l82D3dZwCoa",
    "SiteID": "ORCA",
    "SitePrivateKey": "<RSAKeyValue><Modulus>tkh6g17prMpaRC+p7Q4FQHuTti5ekcjWNqQC9Qh3tsrkyq4pp+lytagR6y6q9zSA57UQy3cURJt/0km2W0v31yC9YFmhZ6fbmCfUCBmxbvb1CzgkFP3fx6cipRzScCpIMmUXcvtpvKR+fWbt1i9ohoT8Sk2zTGd4dqyFTselNGc=</Modulus><Exponent>AQAB</Exponent><P>7ZU2GJKEJTSIr648g/2m2GgBggTVTY6uehkGSH/pnyuc1517Jy2BBThMK7Sa1vvcmcnJYYKd9KhnpdcYgJXVJQ==</P><Q>xGnan823m0OB9r7fltqMVE1MOILqmLDldN6gRB0fWnihFSMQoxQJBqdfvbqdnwRKPygMMXjOoxf13noP67Vbmw==</Q><DP>6LbZMCSD7/WPVZXzjM4uWZc2suaNENULrmlIsEcqzVBo5wJImU2HLVfBtKXJbX9yy+jNqwfINNen/te8FmetSQ==</DP><DQ>lm8IzoqOTPHokabhszXScyL89O94ZNhf9iIpF+JCSFXJ8ll3/Z9zxk/daYCMBuYPQ84VgLKpeYr5ept8pCi0bw==</DQ><InverseQ>5Wn1A4VEJAI0F/3sMvzEm5CL2dLb5/Xo6yYg9HH6WuVnMr9p7DMcHce7FjCqKNIcC9QsFiuS/NpEMQ0QvUsgjA==</InverseQ><D>E7GL7vKLq3vnObOul6pqnddcE5Q56mU444lfumpySKDuDAm5/Wam2oJwgSi3FuMoxB/XUywn1+u26RjGp2FzQq9mx0KkQGKM6mZfIMMVZDTLIyVVhQn66GuO1Zbt9hqWtBxmQy8X6TN9ASQeUFsOMDvtm0PrBrax7KHf1H8NIBU=</D></RSAKeyValue>",
    "PublicKeyStore": [
      {
        "SiteID": "GLOBAL",
        "KeyXML": "<RSAKeyValue><Modulus>23cuijAaHiumnoRM+VV1dqAGrYeYUt11OK4H5rcmXZeix2dxK9Oh2928A9RHwqpAU+u/HY1nrHo1nEUnduiIai+1JShg4flewwUnXAIrP3hxUtPly/5/9vHtalEABxPzVtRhwN2rtpVpxkR8j0U2r98TGrvr62xhg3KYDG6Qax8=</Modulus><Exponent>AQAB</Exponent></RSAKeyValue>"
      },
      {
        "SiteID": "ORCA",
        "KeyXML": "<RSAKeyValue><Modulus>tkh6g17prMpaRC+p7Q4FQHuTti5ekcjWNqQC9Qh3tsrkyq4pp+lytagR6y6q9zSA57UQy3cURJt/0km2W0v31yC9YFmhZ6fbmCfUCBmxbvb1CzgkFP3fx6cipRzScCpIMmUXcvtpvKR+fWbt1i9ohoT8Sk2zTGd4dqyFTselNGc=</Modulus><Exponent>AQAB</Exponent></RSAKeyValue>"
      }
    ]
  }
}

// init token
{
    IConfigurationSection licconf = Configuration.GetSection("License");

    Dictionary<string, string> dict = new Dictionary<string, string>();
    foreach (Dictionary<string, string> keyitem in licconf.Get<Dictionary<string, string>[]>("PublicKeyStore"))
    {
        dict.Add(
            keyitem["SiteID"],
            keyitem["KeyXML"]);
    }

    TokenHelper.Init(
        licconf.Get<string>("SiteID"),
        licconf.Get<string>("SitePrivateKey"),
        dict);

    SiteLicenseToken lictoken = TokenHelper.DecodeToken<SiteLicenseToken>(licconf.Get<string>("TokenData"));
}