一種數字籤名的裝置及方法
2023-05-23 19:31:36
專利名稱：一種數字籤名的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及信息安全技術，特別是涉及一種在計算機系統中進行數字籤名的裝置及方法。
背景技術：
由於電子商務和信息安全技術的迅速發展，數字籤名裝置猶如雨後春筍般紛紛湧現。數字籤名裝置可以直接通過其接口連接到臺式計算機(PC)、可攜式計算機、蘋果計算機(MAC)或者其他網絡設施，用戶可以通過它進行個人身份認證和數字籤名。當今，大多數數字籤名裝置都能完美地支持公開密鑰基礎設施(PKI)技術，因而逐漸成為產生密鑰對和保存密鑰對的理想載體，並且其內部帶有中央處理器(CPU)的智慧卡還能通過卡內作業系統(COS)對所產生的密鑰對實行有效的控制和管理。而且由於數字籤名裝置的硬體特性，在其中駐留的程序不會被黑客程序所控制而洩漏存放在其中的保密數據，這樣就大大提高了數字籤名的安全性。因此，數字籤名裝置在電子商務、電子政務等領域都有非常廣闊的應用空間。
目前的數字籤名裝置都包含主控晶片和帶CPU的智慧卡，主控晶片帶有一個微處理機控制器(MCU)，用來對整個裝置的狀態和工作進行控制和管理。智慧卡包括COS和算法庫，COS控制智慧卡和外界信息的交換，管理智慧卡存儲器中的文件系統，並處理各種命令，算法庫用來儲存用於產生密鑰對的各種算法。有些數字籤名裝置還包括諸如發光二極體(LED)的指示燈，用於對裝置工作狀態進行外在指示，便於用戶了解裝置工作是否正常。
雖然目前各種數字籤名裝置都以不同程度和在不同領域得到廣泛運用，但是它們都不能較好地保證用戶籤名的安全性。由於在這些數字籤名裝置中只在內部包括了主控晶片、帶CPU的智慧卡，有的裝置包含有指示燈，而都沒有包含用戶可以在外部進行操作的結構，因此用戶對數字籤名的操作和控制只能在客戶機端進行，而不能在該裝置上進行。這樣，一旦將數字籤名裝置連接到客戶機端後，用戶在完成了個人識別碼(PIN)的輸入後，就不能控制對裝置進行操作的合法性。例如，當用戶準備使用數字籤名裝置進行籤名時，無論是否進行了數字籤名操作，諸如黑客程序或病毒程序的惡意程序都可以入侵該裝置，冒充用戶的一次甚至多次籤名，用戶卻不能有絲毫的察覺，或者用戶只看到指示燈在閃爍而不知道問題出在哪裡，即使當用戶察覺時，用戶自己的秘密信息已經洩漏。同時，PIN在從客戶機端輸入到數字籤名裝置的過程中，也有可能被惡意程序記錄下來，因此即使用戶沒有輸入PIN，惡意程序也完全可以冒充用戶的籤名。由於數字籤名在實際應用中可能涉及到諸如合同籤字、資金支付、法律確認等一系列經濟和法律問題，因此其安全性和有效性在電子商務和電子政務，甚至整個國家社會經濟秩序中都佔有非常重要的地位。不難想像，如果在商業合同或者政府文件上的籤名是別人冒充的並被認為是合法有效，其後果將不堪設想。有鑑於此，目前市場上迫切需要能保障用戶合法權益的安全級別更高的數字籤名裝置。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種具有更高安全級別的數字籤名裝置，以及利用這種數字籤名裝置進行數字籤名的方法。
本發明的目的是以如下技術方案予以實現的一種數字籤名裝置，包括主控晶片、帶中央處理器(CPU)的智慧卡，其中主控晶片用於管理和控制客戶機端與智慧卡之間的通信，智慧卡用於對來自客戶機端的命令進行解釋執行，並保護私鑰的安全性，其特徵是，裝置中還包括供用戶從裝置外部操作的用戶操作部件和提示用戶操作該操作部件的操作指示部件，所述用戶操作部件和操作指示部件電連接在主控晶片的輸入/輸出(I/O)埠上。
用戶操作部件可以是按鍵，操作指示部件可以是至少能發出兩種顏色的光的LED。主控晶片和計算機的連接接口可以是通用串行總線(USB)接口。數字籤名裝置還可以包括電連接到主控晶片的智慧卡插槽，智慧卡位於所述插槽中。
一種利用上述數字籤名裝置實現數字籤名的方法，它至少包括設置操作指示部件用於提示用戶操作的第一種指示狀態和提示用戶已完成操作的第二種指示狀態，第一種指示狀態和第二種指示狀態分別設置大於1個的指示模式，當數字籤名裝置接收到來自客戶機端的籤名命令時，設置操作指示部件為第一種指示狀態，在接收到用戶的操作信息後，設置操作指示部件為第二種指示狀態，裝置對籤名命令數據進行籤名，將籤名後的數據返回到客戶機端。
在上述數字籤名方法中，第一種指示狀態和第二種指示狀態分別按預定的指示模式循環指示。
上述數字籤名方法還可以進一步包括如下步驟在設置操作指示部件為第一種指示狀態之前，對用戶進行PIN驗證；如果用戶輸入的PIN與智慧卡中儲存的PIN相符，設置操作指示裝置為第一種指示狀態；如果用戶在預定次數內輸入的PIN與智慧卡中儲存的PIN不符，智慧卡自鎖，返回錯誤信息。
上述數字籤名方法還可以進一步包括如下步驟當數字籤名裝置接收來自客戶機端的不是籤名命令的其他命令時，裝置直接處理命令數據，將處理後的信息返回給客戶機端。
在上述數字籤名方法中，在接收來自客戶機端的命令或裝置對命令數據進行處理或籤名的步驟中，對於硬體傳輸錯誤，進行預定次數的重新收發；如果超過預定次數重新收發後還有錯誤，關閉操作指示部件。
通過以上的技術方案可以看出，用戶在使用根據本發明的數字籤名裝置和方法進行數字籤名時，當用戶發出籤名命令，數字籤名裝置的操作指示部件會設置為第一種指示狀態，提醒用戶在數字籤名部件外部對用戶操作部件進行操作，只有在用戶對用戶操作部件進行了手動操作後，智慧卡才對用戶的文件進行籤名。例如，如果用戶沒有執行籤名操作，而操作指示部件卻顯示為第二種指示狀態，這就可以提醒用戶有諸如黑客程序或病毒程序等的惡意程序在攻擊硬體設備，正想冒充用戶籤名。或者，如果用戶執行了籤名操作，而惡意程序接著用戶命令又發出一個籤名命令，導致數字籤名裝置認為是兩個籤名，操作指示部件會以第二種指示狀態的另一個指示模式指示用戶還有一個籤名，並提醒用戶對用戶操作部件進行操作，這樣用戶能清楚地識別各次籤名的合法性。在這些情況下，只要用戶不主動對用戶操作部件進行操作或者再次操作，這種惡意攻擊的企圖就不會得逞，用戶的籤名就不會被冒充。因此用戶在使用根據本發明的數字籤名裝置進行數字籤名時，可以掌握籤名的主動權，也就是可以在數字籤名裝置上對自己的籤名操作進行控制，而不像現有技術那樣，用戶在使用裝置時實際上已經喪失了對它的控制，這樣可以完全防止自己的籤名被冒充。本發明的裝置和方法與現有技術相比，極大地提高了用戶籤名的安全性，提高了用戶合法權益保護的安全級別，並極為有效地避免了用戶可能遭受的無法挽回的巨大損失。
圖1是根據本發明的數字籤名裝置的硬體構造示意圖；圖2是根據本發明的數字籤名方法的流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的描述。
如圖1所示，數字籤名裝置由主控晶片101、帶CPU的智慧卡102、按鍵103和指示燈104組成。其中主控晶片101採用美國Microchip公司的單片機PIC16C745，其主要技術指標包括作為MCU載體的高性能、低功耗的精簡指令系統計算機(RISC)晶片；USB接口；1個16位定時器，2個8位定時器；2個捕捉器/比較器/脈寬調製器；可提供高達25mA驅動電流的I/O埠。帶CPU的智慧卡102採用美國ATMEL公司的AT90S3232C，其主要技術指標包括高性能、低功耗8位RISC架構AVR微處理器；16位協處理器，內含單指令周期的16×16乘法器，可內置RSA、DSA等標準算法庫，也可以開發自己的加密算法，並可快速實現認證和加密等功能；32K非易失存儲器(Flash)程序區；32K電可擦除只讀存儲器(EEPROM)用戶數據區；硬體隨機數發生器；符合國際標準(ISO)7816的I/O埠。
在這裡指示燈104是三色LED，它可以顯示三種顏色綠、紅、黃。LED滅定義為主控晶片101的USB接口或智慧卡102出現硬體問題，需要技術人員進行維修；紅綠閃爍定義為該次服務沒有成功。第一種指示狀態定義為某種顏色閃爍，用來提示用戶收到籤名命令，並提醒用戶按下按鍵103，其三種指示模式分別為綠色閃爍、紅色閃爍和黃色閃爍。第二種指示狀態定義為某種顏色點亮，用來提示用戶按鍵103已按下，其三種指示模式分別為紅色點亮、黃色點亮和綠色點亮。
按鍵103為標準配件，可以隨意選取。在裝置中，智慧卡102、LED104和按鍵103都用集成電路板上的導線電連接到主控晶片101的I/O埠。
如圖2所示，當用戶需要對客戶機端的文件籤名時，先將上述數字籤名裝置的USB接口和客戶機端的USB接口相連，數字籤名裝置利用客戶機端電源上電啟動，主控晶片101的MCU程序對LED 104和按鍵103進行初始化，並打開USB中斷。在步驟201中，MCU首先根據是否能讀寫帶CPU的智慧卡102以及USB接口是否能接收數據等信息，判斷數字籤名裝置是否有硬體故障，如果沒有硬體故障，為了區別於後續的籤名操作指示，則在步驟202中用第二種指示狀態的第三種指示模式，即點亮綠燈，表示裝置工作狀態正常；否則LED 104不顯示，表示主控晶片101的USB接口或智慧卡102有硬體故障，需要請技術人員進行維修，同時在步驟216中返回硬體故障信息。
MCU主程序包括三個模塊USB接口讀寫模塊、智慧卡讀寫模塊、按鍵和LED工作模塊。當初始化成功後，在步驟203中，MCU打開中斷並監聽主控晶片101的USB接口，並在步驟204判斷是否有數據輸入，如果沒有數據輸入，則繼續監聽；如果有數據輸入，則在步驟205關閉USB中斷，在步驟206中由USB讀寫模塊將輸入數據傳輸給主控晶片101。
在步驟207中，MCU判斷是否要讀寫帶CPU的智慧卡102，如果不是，在步驟217中返回錯誤信息；如果是要讀寫帶CPU的智慧卡102，則進一步在步驟208中判斷輸入數據是否是PIN驗證命令。如果輸入數據是PIN驗證命令，則在步驟218中判斷用戶輸入的PIN是否與帶CPU的智慧卡102中儲存的PIN相符。如果相符，在步驟219中返回PIN正確消息，並把PIN錯誤計數器值清零；如果不符，則在步驟221中將PIN錯誤計數器值加1，並在步驟222中判斷錯誤計數器值是否大於4，如果沒有大於4，則允許用戶重新輸入，也就是將用戶輸入錯誤並要求重新輸入的信息在步驟215中由USB讀寫模塊返回到客戶機端，在用戶重新輸入後，數字籤名裝置繼續從步驟203開始進行後續步驟；如果計數器值已經大於4，也就是用戶已經連續輸入5次都錯誤，出於安全性的考慮，則在步驟223中智慧卡102自鎖，並返回PIN錯誤消息，用戶不能再進行籤名。步驟219中返回的PIN正確消息和步驟223中返回的PIN錯誤消息都在步驟215中由USB讀寫模塊返回到客戶機端。在這裡需要說明的是，PIN錯誤計數器值在裝置出廠時設置為0，而在裝置從客戶機端接口斷開時，PIN錯誤計數器值不變，當PIN錯誤計數器值大於4時智慧卡自鎖，這是為了防止非法用戶對PIN的窮舉攻擊。
如果在步驟208中判斷數據不是PIN驗證命令，則在步驟209中進一步判斷數據是否是籤名命令。如果不是籤名命令，而是諸如用戶身份認證命令、文件加密命令、數據加密命令、數據解密命令等其他命令，MCU將命令直接遞交給智慧卡102進行處理，並通過步驟215調用USB接口讀寫模塊將智慧卡102返回的數據回送給客戶機端。
如果在步驟209中判斷數據是籤名命令，則在步驟210中進一步判斷用戶是否已經正確輸入PIN，如果用戶沒有輸入PIN或者輸入的PIN不正確，在步驟220返回PIN未通過驗證消息，並通過步驟215由USB讀寫模塊將此消息返回客戶機端。
在步驟210中，如果用戶已經輸入了正確的PIN，則在步驟211將LED104設置為第一種指示狀態的第一指示模式，即綠色閃爍，提醒用戶按下按鍵103，待用戶按下按鍵103後，在步驟212 MCU接收到按鍵按下信息，在步驟213將LED 104設置為第二種指示狀態的第一指示模式，即紅色點亮，並在步驟214將籤名數據遞交給帶CPU的智慧卡102進行籤名，在步驟215，USB讀寫模塊將帶CPU的智慧卡102處理後的籤名信息返回給客戶機端。需要說明的是，為了防止用戶按鍵時間過長和硬體電路抖動可能造成MCU誤認為用戶按了兩次鍵，從用戶按下按鍵到按鍵彈開被設定為是一次按鍵操作。另外，如果籤名不成功，LED 104變為紅綠閃爍，提示用戶可能因為用戶的失誤造成此次操作沒有成功，例如用戶在沒有輸入PIN的情況下直接按下了按鍵103。如果在步驟212 MCU沒有接收到按鍵按下信息，也就是用戶沒有按下按鍵103，則不進行籤名操作，LED 104一直以綠色閃爍提醒用戶。
在成功完成了一次籤名操作後，如果用戶還需要進行第二次籤名，在客戶機端發出籤名命令後，MCU經過同樣的判斷過程判斷出是籤名命令並且前面輸入的PIN正確，則在步驟211將LED 104設置為第一種指示狀態的第二指示模式，即紅色閃爍，在步驟212接收到按鍵103按下的信息後，在步驟213將LED 104設置為第二種指示狀態的第二指示模式，即黃色點亮。如果用戶需要進行第三次籤名，則將LED 104設置為第一種指示狀態的第三指示模式，即黃色閃爍，用戶按下按鍵103後變為第二種指示狀態的第三指示模式，即綠色點亮。用戶可以無限次地進行籤名操作，LED 104的狀態則周而復始，循環點亮和閃爍，以提醒用戶現在進行的籤名是第幾次籤名，使用戶做到心中有數，並能對一些意外情況進行及時處理。例如，用戶在還沒有在客戶機端發出籤名命令時，LED 104就變成綠色閃爍，或者用戶只發出一次籤名命令並只按了一次按鍵103，LED 104卻變為紅色閃爍，都說明可能有諸如黑客程序或病毒程序的惡意程序正在對裝置進行攻擊，此時用戶可以取消其後的籤名操作，而改在一個安全的系統環境下再進行，從而防止了惡意程序有可能對自己的籤名進行冒充。
在上述過程中，向客戶機端收發數據，或向智慧卡102收發數據時，有硬體的傳輸錯誤，則再重新收發3次，如果還有錯誤，則認為是硬體出錯，不再進行收發數據的嘗試，LED 104關閉，提醒用戶聯繫相關技術人員進行維修。
上面給出了本發明的一個具體實施例，但是本領域技術人員可以知道，本發明還可以有不同的替代方式，例如主控晶片的接口可以是通用串行總線(COM)接口，並且可以在數字籤名裝置中添加一個智慧卡插槽，將原來焊接智慧卡的焊點焊接到智慧卡插槽上，這樣可以像行動電話主機和用戶識別模塊(SIM)卡一樣，實現機卡分離。除了三色燈以外，裝置中的指示燈也可以是四色燈、五色燈等等，或者是三個、四個或五個單色燈，只要它們能用不同的顏色的點亮和閃爍表示不同的狀態即可。操作指示部件除了用諸如LED的指示燈以外，也可以用聲音提示或液晶顯示等其他方式，只要能讓用戶清楚地知道自己現在要進行的是第幾次籤名即可。另外，主控晶片和帶CPU的智慧卡也完全可以選用能同樣完成本發明的其他公司的其他產品。因此可以理解，具體實施例只是對本發明的進一步描述，並不能用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種數字籤名裝置，包括主控晶片、帶中央處理器(CPU)的智慧卡，其中主控晶片用於管理和控制客戶機端與智慧卡之間的通信，智慧卡用於對來自客戶機端的命令進行解釋執行，並保護私鑰的安全性，其特徵是，裝置中還包括供用戶從裝置外部操作的用戶操作部件和提示用戶操作該操作部件的操作指示部件，所述用戶操作部件和操作指示部件電連接在主控晶片的輸入/輸出(I/O)埠上。
2.根據權利要求1的數字籤名裝置，其特徵是，所述用戶操作部件是按鍵。
3.根據權利要求1的數字籤名裝置，其特徵是，所述操作指示部件是至少能發出兩種顏色光的發光二極體(LED)。
4.根據權利要求1的數字籤名裝置，其特徵是，所述主控晶片和客戶機端的連接接口為通用串行總線(USB)接口。
5.根據權利要求1的數字籤名裝置，其特徵是，所述數字籤名裝置進一步包括電連接到主控晶片的智慧卡插槽，智慧卡位於所述插槽中。
6.一種利用權利要求1的數字籤名裝置實現數字籤名的方法，其特徵是，它至少包括設置操作指示部件用於提示用戶操作的第一種指示狀態和提示用戶已完成操作的第二種指示狀態，第一種指示狀態和第二種指示狀態分別設置大於1個的用於指示用戶操作次數的指示模式；當數字籤名裝置接收到來自客戶機端的籤名命令時，設置操作指示部件為第一種指示狀態；在接收到用戶的操作信息後，設置操作指示部件為第二種指示狀態；裝置對籤名命令數據進行籤名，將籤名後的數據返回到客戶機端。
7.根據權利要求6的實現數字籤名的方法，其特徵是，第一種指示狀態和第二種指示狀態分別按預定的指示模式循環指示。
8.根據權利要求6的實現數字籤名的方法，其特徵是，在所述步驟中進一步包括如下步驟在設置操作指示部件為第一種指示狀態之前，對用戶進行個人識別碼(PIN)驗證；如果用戶輸入的PIN與智慧卡中儲存的PIN相符，設置操作指示裝置為第一種指示狀態；如果用戶在預定次數內輸入的PIN與智慧卡中儲存的PIN不符，智慧卡自鎖，返回錯誤信息。
9.根據權利要求6的實現數字籤名的方法，其特徵是，在所述步驟中進一步包括如下步驟當數字籤名裝置接收來自客戶機端的不是籤名命令的其他命令時，裝置直接處理命令數據，將處理後的信息返回給客戶機端。
10.根據權利要求6的實現數字籤名的方法，其特徵是，在所述步驟中進一步包括如下步驟在所述接收來自客戶機端的命令或裝置對命令數據進行籤名的步驟中，對於硬體傳輸錯誤，進行預定次數的重新收發；如果超過預定次數重新收發後還有錯誤，關閉操作指示部件。
全文摘要
本發明提供了一種數字籤名裝置及用該裝置進行數字籤名的方法。數字籤名裝置包含主控晶片、帶CPU的智慧卡，以及電連接到主控晶片I/O埠的用戶操作部件和操作指示部件。當數字籤名裝置接收到來自客戶機端的籤名命令時，設置操作指示部件為用於提示用戶操作的第一種指示狀態，在接收到用戶的操作信息後，設置操作指示部件為用於提示用戶已完成操作的第二種指示狀態，裝置對籤名命令數據進行籤名，將籤名後的數據返回到客戶機端。每種指示狀態都包含多於一種的用於區分不同籤名次數的指示模式。使用本發明有效避免了諸如黑客程序的惡意程序對用戶數字籤名的攻擊，提高了用戶數字籤名的安全級別。
文檔編號G06F12/14GK1482550SQ02129590
公開日2004年3月17日 申請日期2002年9月9日 優先權日2002年9月9日
發明者馮登國, 荊繼武, 曹政, 魏志東 申請人:中國科學院軟體研究所