电子签名：可视化与安全性如何双赢

电子签名：可视化与安全性如何双赢 四种MS Word/Excel 可视化电子签章系统的安全隐患分析   一种安全的文档数字签名方案

[email protected] 　 　 1 对四个Word/Excel可视签章软件的安全性测试 1.1 测试对象与测试基本情况 1.2 软件1测试中发现的安全漏洞         1.2.1 不控制格式，只控制文件的实际数据内容         1.2.2 不实用且脆弱的文档保护         1.2.3 浏览文件过程中，文件可能被意外更改或被病毒更改         1.3 其它软件的测试结果         1.4 测试结论 2 对四个产品的安全漏洞的分析         2.1数字签名、数字签章、手写电子签名         2.2 为什么四个软件产品会有安全漏洞 3 一种更为安全的文档数字签名结构   随着电子签名法的通过，电子签名技术在中国正加速推广。目前，不论在Internet上查询还是在市场中都可以见到多种计算机文档电子签名软件，其中很多产品特点非常类似，即：模仿盖章和手写签字对MS Word/Excel 文档进行可视化签章，签章过程在MS Word /Excel 中是可见的，签章后的文档仍然可以被Word/Excel正常打开。为考察这类签名软件的安全性控制问题，本文测试、分析了四种MS Word/Excel电子签章软件的安全性，并提出一种更为安全的文档数字签名模式。 1 对四个Word/Excel可视签章软件的安全性测试 1.1 测试对象与测试基本情况 为测试非常流行的MS Word/Excel电子签章软件的安全性，我们下载了四个公司的免费单机试用版软件（由于条件的限制，我们不能购买所有这类软件进行测试）。 软件1 软件2 软件3 软件4 试用版，对Word、Excel文件可签章、手写电子签字 试用版，提供分别用于Word和Excel的控件，提供签章文档实例 试用版,可对Word进行签章 试用版,须先申请并安装数字证书才可使用，可对Word文件签章 测试环境：Windows XP Professional MS Word 2000， MS Excel 2000， MS Word 2003，MS Excel 2003 其它工具：Hex Workshop 4.1 共享版     四个软件产品在功能、操作方式上有很多相似之处，可视化做的都很好，和实际纸制文件的盖章、签名在视觉上较接近。四个软件在Word/Excel 2000、Word/Excel 2003中的表现一致。 通过测试，我们并没有看到足够安全的软件产品，它们有相同的、十分明显的安全缺陷，这些缺陷足可以给用户带来严重问题。 1.2 软件1测试中发现的安全漏洞 1.2.1 不控制格式，只控制文件的实际数据内容 软件1签章后，文件内的字符不能再更改，一旦更改，签章不能通过验证。但对字符格式不加控制，如字号、字体颜色等。举一个例子，可以在文件中把某些字符设置成白色，因为文档的背景是白色的，这些字符实际不可见，签章（或签字）后任何人都可以再将白色字符改为黑色。 下面是一个关于经费申请的Word文件，申请上写的看起来是1000，其实是10000，因为最后一个0是白色的，总经理王峰批准后，申请人又将最后一个0改为黑色。 图1：表面上看是申请了1000圆，但后面还有一个白色的0   图2：签章后，将白色的0改成黑色，变成了10000圆，盖章、签字并未失效   图3：在批准的文件上再添加一些字符，可以看到签字和盖章失效的样子 在Excel中，该漏洞依然存在，所不同的是在Excel中不能将把格中的单个字符改为白色，但可以把单个格子的所有字符改为白色。 图4该文件中，预算者把许多内容设置成了白色后，文件得到批准 图5: 文件签章批准后，预算者又修改了文件中一些内容的颜色，签章仍有效   1.2.2 不实用且脆弱的文档保护 软件1的设计者无疑也意识到了对文档格式不加控制可能带来的安全隐患，于是在产品中增加了文档锁定功能，文档锁定后，在Word/Excel中无法编辑文档，所有和编辑文档有关的按钮、菜单都不能使用。这一功能的目的很明显，要求盖章、签字后锁定文档，从而保证文档视图的不可变。但通过Word/Excel文档保护根本不能解决问题。 首先，对于多级签名，文档保护并不是好办法。前一个签名者如果锁定文档，后一个签名者就无法签名，除非他知道解锁密码，才可以在解除文档保护后实施签名，而且签名后还要再用新密码锁定文档。但是，在网络环境下，如何才能让文档保护密码安全、方便地在不同的签名者之间传递呢？很明显，靠Word/Excel文档保护(锁定)来弥补1.1所述的安全漏洞是不实用的。 其次，Word/Excel文档保护是相当脆弱的，很容易被击破。先来看Word文档保护，我们很容易地在Internet查到一种破解Word文档保护的方法，但用这种方法解除软件1的文档锁的努力失败了，这说明软件1的设计者在文档锁定上下了不少功夫，但我们使用了另一种更为彻底的方法很快就成功绕过了软件1的文档锁。 我们首先构造Word文件，文件上有“10000”字样，该文件保存为1.doc，将“10000”最后一个0改为白色，文件保存为2.doc,用Hex Workshop比较两个文件，很快找到了控制字符颜色的区域都是以B*开头，将2.doc中控制字符颜色的一段中的FF FFFF改为00 0000（熟悉html的人都知道，FFFFFF代表白色，000000代表黑色），改完后，用Word打开2.doc，最后一个0变成了黑色。 现在开始测试软件1对Word文档的保护。首先构造签名Word文件并锁定文件。 图6： 申请上写的实际是10000，最后一个0是白色，该文档已由软件1锁定   图7:用Hex Workshop更改文件，B*后面，一段FF FFFF改为00 0000   图8:打开文件，10000最后一个0已改为黑色，文档仍处于锁定状态，签章仍有效   软件1对Excel文档的保护同样脆弱，我们用Hex Workshop比较文档，很快发现Excel单元格字符的颜色控制数据在[SO1段，09代表白色，08代表黑色，直接用Hex Workshop更改数据，就可以更改单元格字符颜色，这一点对Excel 2000版和2003版都适用。为缩减篇幅，本文不再举例，感兴趣的读者可以自己动手试一试。 图9:Excel 文档单元格颜色控制   软件1的文档锁定功能和MS Word、Excel自带的文档保护功能同出一源，都是通过在文档中加专门标志，编辑器见到标志后，所有的编辑功能不能起作用，这种保护无疑是脆弱的，可以用16位编辑器直接编辑文件。 1.2.3 浏览文件过程中，文件可能被意外更改或被病毒更改 如果一个已签章的文件未加文档保护，在用户阅读文档过程中，可能因意外的操作改变文档，例如在Word中不留意增加空格，在这种情况下，文档签章失效，用户有时不能将文件数据恢复到原样。由于签名时文档必须处于可编辑状态，所以，无法依靠文档保护(锁定)来防止文件内容的意外更改。 另一个造成文档被意外更改的原因是病毒。虽然我们并没有测试用病毒感染签章文件，但根据常识，希望用户能完全防止病毒感染文件是不现实的。如果病毒造成文件实际数据内容改变，签章随即失效，如果病毒感染实际数据内容以外的部分，即使文档签章不会失效，但签章后的染毒可能造成不可预计的问题。 1.3 其它软件的测试结果 其它3个软件都存在和软件1相同的问题。其中软件2、软件4都没有自己的文档保护功能，不知正式版是否具备该功能。如果软件不使用专有的文档保护功能，而使用Word自有的文档保护功能，这种保护无疑形同虚设。软件3是Word签章产品，签章后文档自动处于保护状态，无法编辑，但只要在Word菜单上选择“工具”－“解除文档保护”，文档就又处于可编辑状态了。相比之下，软件1是四个软件中文档保护作的最好的一个。 1.4 测试结论 四个软件都存在着严重安全隐患。当文件内容的格式更改后，签名和签章都仍有效，说明四个软件只能通过签章保证文件部分数据的完整性。因为格式控制会直接影响到人们对可视内容的理解，在这种情况下进行电子签章、签名可能带来严重后果。虽然对Word/Excel可以使用文档保护功能来防止文档在签名后的改变，但对于多级签名，文档保护是不实用的，同时，Word/Excel文档保护也是非常脆弱的。由于签章过程需要文档处于可编辑状态，因此很难避免文件被意外更改，从而造成已有的签章失效。数字签名软件是对安全性要求很高的产品，以上这些安全性问题的是不能容忍的。 2 对四个产品的安全漏洞的分析 2.1数字签名、数字签章、手写电子签名     在分析上述四个产品的安全漏洞之前，先简单回顾数字签名的基本原理。 从数字签名原理图中可以看出，只有计算整个文件的数字摘要而不是部分内容的数字摘要，才能保证整个文档的完整性可鉴别。 图10：数字签名原理图 数字签名技术本身并不可视，那么数字签章（手写电子签名）和数字签名有什么关系呢？电子签章、手写电子签名不像数字签名一样有着标准的、公认安全的实现方式，不同的软件商使用不同的方法实现。数字签章一般是在密钥对和电子图章之间建立对应关系，使用一个密钥对进行数字签名，图章会被加入文档并可视化地出现在文档界面中，图章数据被加密后放入签章文件中（嵌入式签章），或者图章数据存放在签章中心，签名通过验证后再调用显示。当源文件变化或其它原因使签名不能通过验证时，图章会出现失效标识。手写电子签名和签章类似，只是用手写的签名图形替代图章。另外，嵌入式签章可能存在安全漏洞，其他人验证签名文件时，签章被解密，其他人可以盗用签章。 电子签章和手写电子签名不是数字签名或数字签名的替代，更不是数字签名的增强，只是解决解决签章的可视化。 2.2 为什么四个软件产品会有安全漏洞 由于需要在Word和Excel编辑界面中实施签章、验证过程，签章后得到的文件仍然是有效的Word或Excel文件，在这中情况下，不可能对整个文档的数字摘要进行加密。数字签章、手写签名数据要加入到文档中，成为Word/Excel文件的组成部分，这使Word/Excel文件整体改变，所以每进行一次签名或，文档的数字摘要也必然会改变，图10中的“数字摘要1”和“数字摘要2”就不可能相同，已有的签名就不能通过验证。也许我们可以把整个文档的数字签名添加到文档的尾部，在计算“数字签名2”时，只计算原来那部分文档，这样可以保证“数字摘要1”和“数字摘要2”相同（图12所示的追加式签名结构就是采用这种策略）。但直接将数据加到文件尾部可能破坏Word/Excel文档的基本数据结构，使文件成为失效的Word/Excel文件，无法解析，即使文件可以打开，这部分内容也不会被MS Office读取和显示，可视化的签章和验证也就无法实施（MS Office XP/2003 自带数字签名功能就是这种情况）。 图11:嵌入式签名结构 因此，为了满足签章、验证过程在Word/Excel文件编辑界面可见的要求，只好只对文件中部分关键内容（文档实际的数据对象）计算数字摘要，而不计算文档框架,包括格式控制部分的数字摘要，数字摘要加密得到的数字签名及其它信息和实际数据对象分开存储，存储遵守文件的结构框架。这就形成了如图11所示的“嵌入签名式结构”。这种结构可以保证文档实际数据对象的完整性可鉴别，同时也保证签章过程在Word/Excel中可见。但嵌入签名式结构存在严重安全隐患，签名者认为整个文档的完整性在签名后不能改变，实际上，文档框架和格式控制部分可以任意改变，特别是控制数据显示的部分，这就带来了前面所例举的“白色的0”问题。实际上，如果格式不受控制还能带来很多其它类似“白色字符”的问题。 另外，由于嵌入式签名文件能使用Word/Excel编辑器直接打开，并且签章时要求文件可编辑，这就无法避免浏览文件过程中文件可能被意外更改或被病毒更改。 嵌入式签名结构是对签章过程可视性要求的适应，因为中国人习惯在文档中见到签章和签字，签章还要加盖到文件的文字上，所以嵌入式结构是无奈的选择。遗憾的是，这种选择已完全破坏了文档数字签名的基础，没有人希望自己签署的文档会在签署后变成另外一个样子。 不仅对Word/Excel文档的数字签名可能使用嵌入式签名结构，其它种类的计算机文档签名软件也可能采用嵌入式签名结构。   3 一种更为安全的文档数字签名结构 图12:追加式签名结构 图12是另一种“追加签名结构”。这种签名文档结构能保证整个文档完整性可鉴别，符合文档数字签名的安全要求。但使用这种签名方式签名后，文档整体结构改变，不能直接用原编辑器打开，为保证签名的可视性，签名软件将签名单独进行可视化处理，用源文件编辑器打开源文档的备份, 这样能保护签名的源文档被更改不，从而从另外一个层面上进一步提高了数字签名安全性。 和追加式签名结构类似的是MS Office 2003中自带的数字签名。虽然MS office 2003自带的数字签名功能相当简单，但通过对签名文件结构的分析，基本可以确定是属于追加签名结构，所有签名信息加到文件的尾部，所以签名后任何文件实际内容或任何格式的更改都会使签名失效，因此MS office 2003自带的数字签名的安全性比测试的4个软件要高，不过，由于签名文档是在编辑器中直接打开，所以无法防止在观看过程中意外更改文件。也就是说，它采用了追加式签名文件结构确没有采用图12所示的打开签名文件的方法，仍存在一定的安全隐患。另外，MS Office 2003自带的数字签名是非可视的(在文档中没有图章、签字或其它可视的唯一标识)，这正体现了追加式签名很难在原编辑器中显示的特点。 虽然图12所示追加式签名结构是非常安全的，能实现数字签名的基本目标：保证签名文档完整性可鉴别。但这种方式和中国人习惯的签章、签名方式有差别，签名或签章在不同的软件的界面中显示。人们必须做出选择，要么放弃基本的安全性，要求电子文档数字签名必须完全符合纸制的签章、签字的习惯；要么顺应数字签名的基本要求，稍微改变习惯，得到真正安全的数字签名。 追加式签名除了安全以外，还具有适用范围广的特点，实际上，这种结构对任何格式电子文件的签名都适用。如果我们要数字签名的不是Word/Excel这类文档，而是照片、多媒体文件、数据、程序，在这类文件中，嵌入式结构根本不适用，追加式签名结构无疑是合理的选择。   声明：本文涉及的四个产品是从Internet上下载得到，本文内容只针对这四件产品，本文未提及或以任何方式暗示产品名称和厂商。 2005年3月 北京   本文可以任意转载，但不能作任何改动