王平，賈俊強，楊麗娜，馬倩，胡新苗

（國網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司，新疆烏魯木齊 830000）

橢圓曲線密碼是建立于公開密鑰體系之上的加密算法，以橢圓曲線數(shù)學作為信息文件的編碼參考條件，能夠同時處理多類型的數(shù)據(jù)參量文本[1]。與安全散列算法相比，橢圓曲線密碼在密鑰加密與解密方面所需的消耗時間較短，可使多個密鑰文件在同一時間達到相同的安全性等級，因此在相同編碼情況下，橢圓曲線密碼總是可以為數(shù)據(jù)信息文件提供更為安全的編碼環(huán)境。在已知精密值條件的情況下，橢圓曲線密碼在單位時間內(nèi)所對應的數(shù)據(jù)信息文件量更大，能夠?qū)崿F(xiàn)對于信息參量的同步編碼。

在較為復雜的終端環(huán)境中，公文電子的數(shù)字簽名并不一定完全可靠，因此各類不確定因素都有可能對簽名文件造成影響?；诎踩⒘兴惴ǖ臄?shù)字簽名驗證方法通過雙向認證的方式，對數(shù)字簽名文件進行處理，再借助關鍵度量機制，實現(xiàn)對數(shù)字簽名信息的驗證與應答。然而該系統(tǒng)并不能完全保障公文數(shù)據(jù)的傳輸完整性，易導致驗證指令的可參考價值能力受損[2]。為解決該問題，設計基于橢圓曲線密碼的公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)，利用中間件層次結(jié)構(gòu)、證書信息翻譯模塊與簽名驗證模塊，對已生成的數(shù)字簽名文件進行整合處理，再借助密鑰交換協(xié)議，得到最終的公鑰加密執(zhí)行結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件設計

公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)的硬件應用體系由中間件層次結(jié)構(gòu)、證書信息翻譯模塊、簽名驗證模塊三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 中間件層次結(jié)構(gòu)

中間件層次結(jié)構(gòu)可遵循橢圓曲線密碼，對已編碼的公文電子數(shù)字簽名信息進行驗證處理，再借助傳輸信道，將這些數(shù)據(jù)信息反饋至下級硬件設備結(jié)構(gòu)體之中，一方面實現(xiàn)對信息文件的整合與篩查[3]，另一方面也可按照數(shù)字簽名的生成需求，將已生成的驗證信息存儲于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機之中[4]。在簽名管理工具的作用下，橢圓曲線密碼可通過數(shù)字接口與API 接口成為全新的數(shù)據(jù)信息文件，在此過程中，公文電子數(shù)字簽名驗證指令具有極快的傳輸速率，不僅可避免外界文件信息對驗證系統(tǒng)造成的攻擊，也可將暫存于數(shù)據(jù)庫主機中的數(shù)據(jù)信息調(diào)度成更加活躍的傳輸狀態(tài)。中間件層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 中間件層次結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 證書信息翻譯模塊

在橢圓曲線密碼的作用下，證書信息翻譯模塊可同時定義數(shù)字簽名版本、信息序列號、數(shù)據(jù)標志名等多個屬性條件，如表1 所示。

表1 公文電子數(shù)字簽名證書信息翻譯內(nèi)容

通常情況下，Certificate Format Version 代表電子數(shù)字簽名信息的文件版本，可經(jīng)由中間件層次結(jié)構(gòu)進入多個下級硬件結(jié)構(gòu)之中[5]，且在此過程中，數(shù)字簽名信息可多次提取系統(tǒng)中暫存的數(shù)據(jù)文件參量，并可通過二次整合的方式，將這些信息文件進行重復轉(zhuǎn)存[6]。Certificate Serial Number 代表電子數(shù)字簽名信息的序列號參量，約束了與簽名信息匹配的層級傳輸條件，但由于橢圓曲線密碼的存在，這些信息參量始終不具備無限復制與粘貼的能力，這也是新型驗證系統(tǒng)不會輕易受到其他數(shù)據(jù)攻擊的主要原因。

1.3 簽名驗證模塊

簽名驗證模塊同時接收橢圓曲線密碼的編碼私鑰與編碼公鑰，可在生成信息驗證指令的同時，對數(shù)字簽名摘要文件進行整合[7]，從而按照新型文件范本，實現(xiàn)對公文電子數(shù)字簽名信息的排列處理[8]。受到系統(tǒng)網(wǎng)絡提醒的影響，數(shù)字簽名信息驗證指令可按照編碼公鑰，生成全新的公文電子數(shù)字簽名文件，并可遵循其中簽名信息的存在形式，對原有的橢圓曲線密碼進行完善，從而使得待傳輸數(shù)據(jù)信息的物理傳輸能力得到不斷促進[9]。不僅滿足了系統(tǒng)主機對于公文電子數(shù)字簽名的處理需求，也改變了文件信息的原有存儲形式，進而占據(jù)了數(shù)據(jù)庫主機中的所有數(shù)據(jù)存儲位置。具體簽名驗證模塊如圖2 所示。

圖2 簽名驗證模塊結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設計

在橢圓曲線密碼的支持下，按照數(shù)字簽名生成、密鑰交換協(xié)議、公鑰加密處理的操作流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，實現(xiàn)公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)的順利應用。

2.1 數(shù)字簽名生成

數(shù)字簽名也叫公鑰數(shù)字簽名，是指由信息診斷終端發(fā)送出的原始字符串文件，在整個傳輸過程中，這種數(shù)據(jù)信息參量很難被其他參與者偽造[10]，因此數(shù)字簽名特別是公文型的電子數(shù)字簽名始終具有極高的真實性水平。與其他信息參量相比，數(shù)字簽名的生成需要橢圓曲線密碼的直接配合，在一個連貫的驗證系統(tǒng)環(huán)境中，已生成的數(shù)字簽名信息量越大，與證書信息翻譯模塊匹配的能力也就越強[11]。一個數(shù)字簽名的生成往往需要兩類參量文件的共同配合，其中一個用于生成源碼文本，而另一個則用于數(shù)據(jù)信息的完整驗證。設代表信息源碼的輸出均值量，λ代表數(shù)字簽名文件的提取系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將驗證系統(tǒng)的數(shù)字簽名生成結(jié)果表示為：

其中，f代表橢圓曲線源碼的編程系數(shù)項，β代表數(shù)字簽名信息的字符串定義條件，代表原始字符串文件的信息特征值。

2.2 密鑰交換協(xié)議

密鑰交換協(xié)議作用于系統(tǒng)證書信息翻譯模塊與簽名驗證模塊之間，可按照橢圓曲線編碼原則，對公文電子數(shù)字簽名文件進行整合處理，從而生成大量的驗證執(zhí)行指令，并將其反饋至其他系統(tǒng)硬件設備結(jié)構(gòu)體之中[12]。所謂密鑰交換是一種重要的簽名信息處理方式，可按照橢圓曲線密碼原則，將暫存的公文電子數(shù)字簽名信息更改成其他的傳輸形式，并在此過程中提取出具備明顯驗證特征的文本參量[13]。在已知數(shù)字簽名生成結(jié)果的情況下，待處理的電子數(shù)字簽名信息量越大，密鑰交換協(xié)議所能覆蓋的系統(tǒng)執(zhí)行面積也就越廣泛[14]。設x代表公文電子數(shù)字簽名的原編碼量，x＇代表公文電子數(shù)字簽名的實際編碼量，在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將密鑰交換協(xié)議原則定義為：

式中，λ表示公文電子數(shù)字簽名信息的傳輸驗證系數(shù)，φ代表特征驗證節(jié)點處的數(shù)據(jù)信息特征指標。

2.3 公鑰加密處理

公鑰加密處理是公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)搭建的末尾設計環(huán)節(jié)，可在橢圓曲線密碼的作用下，對待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息參量進行分類存儲，從而使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機對于信息文件的應用需求得到較好滿足[15]。具體公鑰加密處理流程如圖3 所示。

圖3 公鑰加密處理流程

在密鑰交換協(xié)議保持穩(wěn)定連接的情況下，數(shù)字簽名生成結(jié)果可對系統(tǒng)公鑰加密處理能力造成直接影響，簡單來說，數(shù)字簽名文件的生成量越大，系統(tǒng)在公鑰加密處理方面所具備的能力也就越強[16]。因此，為獲得更為良好的公鑰加密處理結(jié)果，應設定一個準確的數(shù)字簽名特征值，并以此條件為基礎，完成對各級驗證指令的審核與協(xié)調(diào)。

3 系統(tǒng)應用能力測試

按照圖4 所示原理搭建公文電子數(shù)字簽名的驗證環(huán)節(jié)，在私鑰文件、公鑰文件均保持穩(wěn)定的前提下，將文件摘要輸入至驗證網(wǎng)絡之中，在整個處理過程中，實驗組主機搭載基于橢圓曲線密碼的公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)，對照組主機搭載安全散列驗證方法。

圖4 公文電子數(shù)字簽名的驗證原理

TRS指標描述了公文電子數(shù)字簽名信息在驗證系統(tǒng)中的傳輸穩(wěn)定性，若將橢圓曲線密碼、安全散列算法考慮在內(nèi)，則可認為TRS指標數(shù)值越大，公文電子數(shù)字簽名信息在驗證系統(tǒng)中的傳輸穩(wěn)定性越強。表2記錄了實驗組、對照組TRS指標數(shù)值的具體變化情況。

表2 TRS指標數(shù)值對比

分析表2 可知，實驗組TRS 指標保持先上升、再下降的數(shù)值變化趨勢，在達到最大數(shù)值水平后，該項數(shù)值指標并不能保持長期穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)。對照組TRS 指標則在連續(xù)下降狀態(tài)后，開始呈現(xiàn)不斷上升的數(shù)值變化狀態(tài)，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達到52.74%，與實驗組最大值81.02%相比，下降了28.28%。

信號干擾比（Signal to Interference Ratio，SIR）指標反映了公文電子數(shù)字簽名信息的傳輸完整性，通常情況下，SIR 指標數(shù)值水平越高，公文電子數(shù)字簽名信息的傳輸完整性越強，反之則越弱。表3 記錄了實驗組、對照組SIR 指標數(shù)值的具體變化情況。

表3 SIR指標數(shù)值對比

表3 中實驗組SIR 指標始終保持先下降、再上升的數(shù)值變化趨勢。而對照組SIR 指標則保持先上升、再穩(wěn)定的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中，實驗組最大值達到了73.18%，遠高于對照組最大值36.91%。

綜合上述實驗研究結(jié)果，可得到如下結(jié)論：1）應用基于橢圓曲線密碼的公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)后，TRS指標數(shù)值開始不斷上升，能夠較好地維護公文電子數(shù)字簽名信息在驗證系統(tǒng)中的傳輸穩(wěn)定性。2）應用基于橢圓曲線密碼的公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)后，SIR 指標數(shù)值也開始不斷上升，可促使公文電子數(shù)字簽名信息傳輸完整性的增強。

4 結(jié)束語

該文研究的公文電子數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)利用橢圓曲線密碼，建立中間件層次結(jié)構(gòu)、證書信息翻譯模塊、簽名驗證模塊三個硬件組織單元，又通過生成數(shù)字簽名的方式，連接必要的密鑰交換協(xié)議，從而獲得可靠的公鑰加密處理結(jié)果。從實用性角度來看，TRS 指標數(shù)值與SIR 指標數(shù)值的增大，可避免簽名信息分析不徹底情況的出現(xiàn)，為數(shù)字簽名在信息傳輸過程中的公文完整性提供了保障。