数字签名在4G系统中的应用及实现过程

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摘要：数字签名是一种电子身份认证技术，在4g系统中起到安全认证的作用。数字签名的实现方法有很多种，RSA数字签名算法是其中最常用的一种。本文首先讲述数字签名的基本知识，然后介绍其在4G系统中的应用，最后详述基于RSA的实现算法。

关键词：4G；数字签名；RSA算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2014）08-00-01

一、前言

数字签名是一种电子身份认证技术，包括签名和验证两个过程，用来解决伪造、冒充及篡改等问题。利用数字签名可以加强电子商务、电子政务的安全强度，也可以利用它来实现应用程序中的数据身份验证和数据完整性验证。数字签名必须具备以下三种功能：接受者能够核实发送者对报文的签名、接受者确信所收到的数据与发送者发送的完全一样而没有被篡改和发送者事后不能抵赖对报文的签名。

4G通信技术融3G与WLAN为一体，能够传输高质量视频图像，清晰度和电视不相上下。它还具有极高的上传和下载速度，上传速度能达到20Mbps，而下载速度能达到100Mbps。然而，由于4G系统将移动终端、无线核心网、无线接入网和IP骨干网（Internet）合为一体，使它具有这四个方面所带来的安全隐患。因此，需要采用一定的安全策略来消除这些威胁。

二、数字签名在4G系统中的应用

数字签名是消除4G系统中安全威胁的一种方法，其主要用于身份认证方面。以4G无线网络为例，在其安全技术中，认证是较为常用的一种技术，而数字签名便是实现该技术的一种常用方法。下图为无线网络安全方案制定策略。

数字签名可以实现简单的单向认证，但前提是收发双方必须知道对方的公钥，而且依赖一定的密钥分发和管理机制。如果借助认证服务器AS，数字签名也可以实现双向认证。其中，AS类似于一个管理公钥的权威机构，提供公钥证书，不负责密钥的分配。

三、数字签名的实现过程

数字签名是利用私钥加密必须用公钥解密这一原理实现的。目前可以实现数字签名的算法有RSA、DSA、Fiat-Shamir、EIGamal、Schnorr以及椭圆曲线数字签名算法等。RSA数字签名算法是较为常用的一种，它容易实现和理解。RSA数字签名包括签名和验证两个过程，它的实现基于RSA算法。现以RSA数字签名为例分析其实现过程：

（一）RSA算法

1.选择两个素数p和q。

2.计算这两个素数的乘积n=p*q。

3.计算φ（n）=（p-1）（q-1）。

4.随机选取一个随机数e，满足1

5.计算d=e-1modφ（n）。

6.公开n和e，而保密d，p和q。

利用RSA算法可以得到公钥和私钥，公钥为{n，e}，私钥为{n，d}。其加密和解密过程为：

加密过程：设消息为M（M

解密过程：利用M=（Ce）mod n，得到解密后的消息M。（注：d和e可以互换）

现在假设用户A向用户B发送消息M，其中A的公钥为{n1，e1}，私钥为{n1，d1}，A的加密和解密变换为D1和E1；B的公钥为{n2，e2}，私钥为{n2，d2}，B的加密和解密变换为E2和D2。其签名过程和验证过程如下：

（二）签名过程

1.用户A利用自己的私钥{n1，d1}对消息M进行加密，即对消息M进行签名。

2.设变量V，令V=（Md1）mod n1，用B的公钥{n2，e2}对其进行加密。

3.设变量C，令C= E2（V），即C=（Ve2）mod n2，然后用户A将加密后的消息C发送给用户B。RSA签名过程如图2所示。

（三）验证过程

1.用户B得到消息C后，用自己的私钥{n2，d2}对消息C进行解密得到V，表达式为：V=（Cd2）mod n2，即V=D2（C）。

2.用户B利用用户A的公钥{n1，e1}对V进行解密，得到消息M，表达式为：

M=（Ve1）mod n1，即M=E1（V）。RSA验证过程如图3所示。

以上就是RSA数字签名的实现过程，其中用户A的私钥是私有的，他人无法获知，因此也无法伪造A的签名。此外，只有用户A的公钥才能解开其对消息M的签名，由于用户B唯一知道A的密钥，使得消息能安全传输，从而保证了通信的安全性。

四、结论

4G系统具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、智能性能高及兼容性好等优势，其实施范围也越来越广，然而4G系统的安全问题也值得人们去重视。数字签名是网络安全认证中的一项重要技术，在技术和法律上都有保证。其中，RSA数字签名不存在密钥分配问题，在网络用户多、网络复杂的情况下具有明显的优势。RSA的缺点是运行速度慢，通过与其他算法（如DSA算法）结合使用，既可以提高运算速度，又保证了通信的安全。

参考文献：

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[2]马俊，黄亚博，侯彦娥.C#网络应用编程[M].北京：人民邮电出版社（第2版），2010：308.

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[4]叶萍.基于RSA的数字签名算法的设计实现[J].科技信息，2009（1）.

作者简介：叶书凯（1992-），男，汉族，河南省西平县人，研究方向：2011级河南大学国际教育学院计算机科学与技术专业。