[設計案例] 授權碼 如何實作? #3, 數位簽章

摘要提示

• 問題意識: 授權碼如何證明「來源正確且未被竄改」是核心問題
• 倡議原則: 採公開演算法+私有金鑰的密碼學實務，而非自創加密
• 技術基礎: 使用非對稱式加密（RSA）與雜湊（Hash）實作數位簽章
• 簽章流程: 私鑰簽名資料雜湊，公鑰驗證以確認來源與完整性
• 金鑰管理: 正式環境應用 Key Container/CA；示例僅為演示用途
• 程式架構: TokenHelper 初始化金鑰庫、簽章 EncodeToken、驗章 DecodeToken
• 資料打包: 授權資料BSON序列化後與簽章以Base64合併傳遞
• 驗證邏輯: 驗安全性（VerifyData）與有效性（IsValidate）雙重檢查
• 實務應用: ASP.NET MVC5 啟動流程中強制驗授權以保護整站
• 風險警示: 私鑰外流即失去安全性；公私鑰XML差異需嚴格管控

全文重點

本文聚焦在授權碼驗真與防偽的設計實務，核心目的在於讓系統能辨識授權資訊確為「原廠發出且未被竄改」。作者強調資訊安全不應依賴「自製加密」或隱藏演算法，而是應採行經學界與產業驗證的公開演算法，配合僅由自己持有的金鑰來達成安全性與可審核性。基於此原則，本文採用非對稱式加密中的 RSA 與雜湊演算法，實作數位簽章以作為授權碼的「封條」。

數位簽章的精神是：以私鑰對資料的雜湊值進行簽名，任何人都能用對應公鑰驗證。驗證時，接收端對原始資料重新計算雜湊，同時用公鑰解開簽章取得寄件方雜湊，兩者相同即可確認資料未被竄改且確為私鑰持有人所發出。本文也以三種情境對對稱式與非對稱式加密做直觀說明，進而點出數位簽章在「證明來源與完整性」上的關鍵價值。

在程式實作上，作者以 .NET 的 RSACryptoServiceProvider 搭配 SHA256 雜湊，提供一套 TokenHelper：初始化階段讀入站台私鑰與友站公鑰，內部以字典快取金鑰供後續使用。EncodeToken 會將授權物件（TokenData）序列化為 BSON，計算簽章後以「資料Base64 + 分隔字元 + 簽章Base64」形式打包輸出。DecodeToken 則先解包與反序列化，再以 Token 的 SiteID 取出對應公鑰做 VerifyData 驗章，最後再依 Token 自帶規則（IsValidate）驗授權有效性，形成「安全性驗證」與「授權規則驗證」的雙層防護。若格式不正確、站台未知、簽章不符或授權過期，皆會拋出相對應例外，阻止系統繼續。

金鑰管理是實務關鍵。作者明確指出示例程式為了教學方便採用檔案/XML載入，不建議用於正式環境；建議採 OS 提供的 Key Container 與 CA 機制發放/管理金鑰，避免私鑰外流風險。文中亦舉出包含私鑰與僅含公鑰的 RSA XML 差異，提醒讀者務必嚴控私鑰。

最後，作者示範如何在 ASP.NET MVC5 專案啟動時強制驗授權：將 TokenData、SiteID、私鑰與公鑰清單配置於 appsettings.json，於 Startup.Configure 中初始化 TokenHelper 並解碼/驗證授權，若驗證失敗即拋例外中止啟動，確保未授權或偽造的情況下網站無法對外服務。文末提供完整範例程式碼的 GitHub 連結，便於讀者實作與延伸。

整體而言，本文將數位簽章的概念落實為可複用的授權碼方案，兼顧「來源可信、內容完整、啟動阻斷」三要點，並提醒金鑰管理在整體安全設計中的核心地位。

段落重點

資料的封條: 數位簽章 原理說明

作者先從安全設計的基本觀念出發，指出「不要發明自家加密」與「公開演算法＋私有金鑰」的正確路徑，理由是程式碼難以長期保密，且安全性應建立在金鑰秘密而非演算法秘密。接著簡述對稱與非對稱式加密差異，並以 RSA 為例說明一對金鑰的用途：私鑰需嚴格保護，公鑰可公開分發。透過情境對比，作者分別說明對稱式在軍事廣播的一對多通訊（如電影模仿遊戲中的 Enigma），以及非對稱式在一對一通訊的身分驗證與機密性。重點落在第三個情境：數位簽章。簽章流程為對原始資料計算雜湊，使用私鑰簽名雜湊，接收端再以公鑰還原雜湊並與自己計算的雜湊比對，若一致即證明資料未改且確為私鑰持有人發出。此機制既能提供來源鑑別與完整性驗證，又具法規與業界實務基礎，適合作為授權碼的「防偽封條」。

實作說明: 數位簽章 + 授權碼 實作

本文以 RSA 數位簽章為核心，將授權碼序列化後簽名，部署於網站設定。啟動時先驗章，通過才依授權開啟功能。程式面向上，使用 RSACryptoServiceProvider 與 SHA256CryptoServiceProvider，並以 TokenHelper 封裝初始化、簽章與驗章。Init 支援兩種方式：從金鑰目錄載入XML或直接給定XML字串，將各站的 RSACryptoServiceProvider 快取於字典中；同時保留當前站台的含私鑰實例以供簽章。作者展示含私鑰與僅公鑰的 RSA XML 例子，強調私鑰欄位（如P、Q、D等）外流的嚴重性。EncodeToken 將 TokenData 以 BSON 序列化成位元組陣列，呼叫 SignData(data, hashAlg) 產生簽章，最後以Base64組裝「資料|簽章」字串回傳。DecodeToken 先拆分Base64、復原資料並反序列化成Token物件，執行 IsValidate 確認授權規則（如日期/範圍等），再以 Token.SiteID 取公鑰執行 VerifyData 驗章，雙關卡都通過才算有效。過程中針對格式錯誤、未知站台、簽章不符、授權失效等情境，拋出特定例外以利診斷。作者也提醒在正式環境應以 Key Container/CA 管理金鑰，示例的檔案式載入僅供教學，勿直接沿用於生產。

實際應用: ASP.NET MVC5 啟動時檢查授權碼

在 ASP.NET MVC5 專案中，作者將授權驗證前置到網站啟動流程，未通過即中止整站啟動，確保防線前移。設定面在 appsettings.json 增設 License 區段，包含：TokenData（序列化＋簽章的授權碼）、SiteID、SitePrivateKey（僅示例用，正式環境不建議）、以及 PublicKeyStore（可驗證之站台公鑰清單）。於 Startup.Configure 中讀取該區段，建立字典並呼叫 TokenHelper.Init 載入金鑰，隨即解碼並驗證 SiteLicenseToken。若驗證成功，網站如常啟動；若超出授權期限，會拋 TokenNotValidateException；若內容遭竄改或來源不明，會拋 TokenNotSecureException；若格式不合或站台未知，亦會有相應錯誤。作者附上執行截圖，展示正常、過期與竄改三種狀態的系統反應。最後提供 GitHub 連結，供讀者取得完整解決方案。此實作展示了如何用數位簽章把「授權驗真」與「站點啟動」強耦合，將未授權風險在最早期阻斷，同時維持程式碼結構清晰與可維護性。

資訊整理

知識架構圖

1. 前置知識：
   • 基本密碼學觀念：對稱式/非對稱式加密、金鑰、公私鑰、Hash/雜湊
   • .NET 加解密基礎：RSACryptoServiceProvider、HashAlgorithm(SHA-256)
   • 序列化/反序列化概念（JSON/BSON）
   • ASP.NET MVC 應用程式啟動流程（Startup 配置）
2. 核心概念：
   • 數位簽章：以私鑰對資料雜湊值簽名、以公鑰驗簽，確保來源與完整性
   • RSA 非對稱式加密：公鑰/私鑰成對，私鑰嚴格保護，公鑰可廣泛發佈
   • 授權碼架構：序列化後的 Token + 簽章 合包；啟動時驗簽與驗證授權規則
   • 金鑰管理：Key Container/CA 供應、私鑰保護、避免明文文件存放
   • 安全與驗證流程：SignData/VerifyData、Hash 選型（SHA-256）、例外處理
3. 技術依賴：
   • RSA 數位簽章依賴 Hash（如 SHA-256）產生資料摘要
   • 授權驗證依賴序列化格式（BSON）與一致的資料模型 TokenData
   • 啟動驗證依賴設定來源（appsettings.json）與組件初始化（TokenHelper.Init）
   • 公鑰信任依賴可信發佈與/或 CA 管理
4. 應用場景：
   • 軟體授權驗證：確保授權碼由原廠簽發且未被竄改
   • 服務間通訊：以數位簽章驗明來源，確保傳輸完整性
   • 配置檔保護：對配置內容簽章，部署端只持公鑰驗簽
   • 啟動守門機制：Web 應用啟動前驗授權，未通過即中止

學習路徑建議

1. 入門者路徑：
   • 了解非對稱加密與數位簽章基本原理（公鑰/私鑰、Hash、簽名/驗簽）
   • 熟悉 .NET 的 RSACryptoServiceProvider 與 HashAlgorithm（SHA256）
   • 以簡單範例：對一段文字做 SignData/VerifyData，體會流程
2. 進階者路徑：
   • 實作 TokenData 的序列化（BSON/JSON）、簽章打包與驗簽拆包
   • 設計例外處理流程（格式錯誤/驗簽失敗/授權失效/站點不存在）
   • 導入 Key Container 或憑證（X.509/CA）管理，替代 XML 明文金鑰
3. 實戰路徑：
   • 在 ASP.NET MVC/ASP.NET Core Startup 早期階段初始化 TokenHelper，載入 SiteID/私鑰/公鑰庫/Token
   • 啟動時驗簽與檢核 Token 授權規則，未通過則終止啟動流程
   • 建置公鑰發布與輪替機制；金鑰外洩演練與應變（撤銷、重新簽發）

關鍵要點清單

• 數位簽章原理: 以私鑰對資料雜湊簽名、以公鑰驗證，確保來源與完整性 (優先級: 高)
• RSA 金鑰配對: 公鑰可公開、私鑰嚴格保護；演算法公開、靠金鑰保密 (優先級: 高)
• Hash 選擇（SHA-256）: 簽章對象是資料的雜湊值，避免大資料直接簽章 (優先級: 高)
• SignData/VerifyData: .NET 中簽名與驗簽的核心 API 流程 (優先級: 高)
• Token 結構與序列化: 將 TokenData 序列化（BSON）+ 簽章合包（Base64 分段） (優先級: 高)
• 啟動期授權檢核: 在 Startup 初始化並驗簽，授權不通過即中止啟動 (優先級: 高)
• 金鑰管理實務: 使用 OS Key Container/憑證與 CA，避免 XML 明文存放 (優先級: 高)
• 公鑰信任來源: 公鑰應自可信來源（CA/受控通道）獲取與維運 (優先級: 中)
• 例外處理設計: TokenFormat/TokenNotSecure/TokenNotValidate/TokenSiteNotExist (優先級: 中)
• 配置式注入: appsettings.json 提供 TokenData/SiteID/私鑰/公鑰庫 (優先級: 中)
• 多站台公鑰庫: 以字典緩存多站台公鑰，支援跨站驗簽 (優先級: 中)
• 序列化一致性: 序列化與反序列化需一致，確保驗簽資料位元完全相同 (優先級: 中)
• 私鑰外洩風險: 私鑰外流即失去身份不可否認性，必須輪替與撤銷 (優先級: 高)
• 安全與可維運性: 拒絕自創加密法，採用標準演算法與成熟函式庫 (優先級: 高)
• 日誌與監控: 對授權失敗與驗簽錯誤記錄並警示，以利排錯與安全稽核 (優先級: 低)