本发明涉及计算机操作系统技术领域，尤其涉及一种基于操作系统软件包的签名认证方法和系统。
背景技术：
操作系统多使用rpm管理软件包。rpm(red-hatpackagemanager)是一款开源的软件包管理工具，包括redhat、openlinux、s.u.s.e.以及turbolinux等linux的分发版本都有采用，可以算是公认的行业标准了。
rpm软件包管理框架支持数字证书验证功能，开源的rpm软件包管理方式相对宽松，任何单位或个人都能通过gpg工具生成自己的秘钥对，并对rpm软件包进行签名验签，存在rpm软件包被肆意签名的风险；其次，gpg是国际规范，采用加密算法都是国际算法，在自主可控性和安全性上存在隐患；最后，gpg规范中使用的加密秘钥存储在文件系统中，存在重大安全隐患。对于一款主打安全的操作系统而言，使用上述rpm软件包管理框架管理软件包无疑存在巨大风险，首先，软件包来源不可靠；其次，系统安全体系可能被破坏。
技术实现要素：
本发明针对现有rpm软件包管理框架存在较大安全隐患的问题，提出一种基于操作系统软件包的签名认证方法和系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提出一种基于操作系统软件包的签名认证方法，包括：
步骤1，由开发者通过开发平台生成rpm软件包；
步骤2，待rpm软件包生成后，由开发者生成对应的公私钥对，并基于公钥向ca中心请求签发数字证书；
步骤3，待签发数字证书完成后，采用私钥对rpm软件包进行签名，并将已签名的rpm软件包发布出去；
步骤4，使用者从发布平台获取已签名的rpm软件包，并将与该rpm软件包签名相关的所有数字证书导入本地操作系统中；
步骤5，本地操作系统遍历所有数字证书以实现该rpm软件包的验签工作；
步骤6，待数字证书t1能够成功验签rpm软件包时，借助根证书t0验证该数字证书t1是否有效，如果验证有效，即可基于rpm软件包实施安装作业。
进一步地，所述步骤2还包括：
由开发者生成对应的公私钥对，将私钥导入到签名硬件密码钥匙中，且导入后的私钥不能从签名硬件密码钥匙读取出。
进一步地，所述签名硬件密码钥匙内部集成多种国密的加解密算法，将开发者生成的私钥使用sm1算法加密后存储在签名硬件密码钥匙中。
进一步地，所述步骤3包括：
步骤3-1，使用sm3算法对rpm软件包计算哈希值，并将哈希值写入文件头相应的字段中；
步骤3-2，使用sm2算法对上述步骤3-1计算得到的哈希值进行私钥签名，将签名值写入文件头相应的字段中。
进一步地，所述步骤5包括：
步骤5-1，读取rpm软件包文件头相应字段中的哈希值和签名值；
步骤5-2，遍历本地操作系统中的存储数据库，并取出一个数字证书；
步骤5-3，使用该数字证书对文件头的签名值进行验签，如果本次验签成功，则进入步骤6；如果本次验签失败，则返回步骤5-2继续取出下一个数字证书并执行验签，直到验签成功，则进入步骤6，如果遍历完所有的数字证书仍不能验签成功，则结束后续流程并提示rpm软件包安装失败。
进一步地，所述步骤6包括：
步骤6-1，从本地操作系统的存储数据库中获取根证书t0，并使用根证书t0对需要验证的数字证书t1进行有效性验证；如果验证成功，则证明所述数字证书t1合法有效，即可实施rpm软件包安装作业，如果验证失败，则进入步骤6-2；
步骤6-2，遍历本地操作系统的存储数据库中除根证书t0和需要验证的数字证书t1之外的所有数字证书，并从中取出一个数字证书ti；
步骤6-3，使用该数字证书ti验证数字证书t1的有效性；
如果验证成功，则返回执行步骤6-1，并使用根证书t0对所述数字证书ti的有效性进行验证，如果验证成功，则证明所述数字证书t1合法有效，即可实施rpm软件包安装作业，如果验证失败，则返回执行步骤6-2，并遍历本地操作系统的存储数据库中除根证书t0、数字证书t1以及数字证书ti之外的所有数字证书，对数字证书ti进行有效性验证；
如果验证失败，返回执行步骤6-2，并从中取出下一个数字证书ti 1，并使用该数字证书ti 1验证数字证书t1的有效性。
进一步地，所述步骤6-1还包括：
如果数字证书t1是由根ca中心签发的，则数字证书t1包括根ca中心采用自己私钥签名的信息；在验证数字证书t1有效性时，采用根ca中心的根证书t0公钥对数字证书t1中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书t1是由根ca中心合法签发的，即可实施rpm软件包安装作业。
进一步地，所述步骤6-3还包括：
如果数字证书t1是一级子ca中心签发的，则数字证书t1包括一级子ca中心采用自己私钥签名的信息；如果数字证书ti是由根ca中心签发的，数字证书ti包括根ca中心采用自己私钥签名的信息；
在使用该数字证书ti验证数字证书t1的有效性时，采用一级子ca中心的一级子根证书t01公钥对数字证书t1中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书t1是由一级子ca中心合法签发的，如果验签失败，则说明数字证书t1不是由一级子ca中心合法签发的；
在使用根证书t0对所述数字证书ti的有效性进行验证时，采用根ca中心的根证书t0公钥对数字证书ti中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书ti是由根ca中心合法签发的，即可实施rpm软件包安装作业，如果验签失败，则说明数字证书ti不是由根ca中心合法签发的。
本发明另一方面还提出一种基于操作系统软件包的签名认证系统，用于实现上述一种基于操作系统软件包的签名认证方法，所述系统包括：
开发平台，用于使开发者生成rpm软件包；
发布平台，用于待rpm软件包生成后，由开发者生成对应的公私钥对，并基于公钥向ca中心请求签发数字证书；待签发数字证书完成后，采用私钥对rpm软件包进行签名，并将已签名的rpm软件包发布出去；
本地操作系统，用于由使用者从发布平台获取已签名的rpm软件包，并导入与该rpm软件包签名相关的所有数字证书；并遍历所有数字证书以实现该rpm软件包的验签工作；待数字证书t1能够成功验签rpm软件包时，借助根证书t0验证该数字证书t1是否有效，如果验证有效，即可基于rpm软件包实施安装作业。
进一步地，所述已签名的rpm软件包包括文件头和文件数据，所述文件头包括哈希值和签名值，所述哈希值是使用sm3算法对rpm软件包进行计算获得的；所述签名值是使用sm2算法对上述计算得到的哈希值进行私钥签名获得的。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1)本发明引入多级签名验签机制，用户在安全操作系统上安装rpm软件包时不仅需要验证签名的正确性，同时还要验证验签的数字证书是否由根证书“直接”或“间接”签发的，确保rpm软件包来源是可靠的；
2)本发明使用国密算法sm2算法对软件包进行签名验签，大大增加了密码的自主可控性和安全性；
3)本发明将签名私钥使用sm1算法加密存储在签名硬件密码钥匙中，进一步保证私钥的安全性；
4)rpm软件包的开发者对软件包进行签名，签名前将签名私钥导入到签名硬件密码钥匙内部，同时将验签公钥的数字证书发布出去。签名时，需要将签名硬件密码钥匙插入到计算机设备上。安装rpm软件包前，用户需要首先获得验签相关的所有数字证书，导入到本地操作系统中，安装时不仅要验证签名值还要验证签名证书是否是根证书“直接”或“间接”签发的。有鉴于此，只有通过根证书“直接”或“间接”签发的私钥签名的rpm软件包才能正常安装，有效防止恶意rpm软件包的扩散，保证了系统的安全性。
附图说明
图1为本发明一种基于操作系统软件包的签名认证方法的基本流程图；
图2为本发明的公私钥对生成及数字证书签发的具体工作流程图；
图3为本发明在rpm软件包签名和验签时的具体工作流程图；
图4为本发明rpm软件包的签名流程图；
图5为本发明rpm软件包的验签流程图；
图6为本发明的数字证书合法性验证流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
如图1所示，本发明第一方面提出一种基于操作系统软件包的签名认证方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，由开发者通过开发平台生成rpm软件包；
步骤2，待rpm软件包生成后，由开发者生成对应的公私钥对，并基于公钥向ca中心请求签发数字证书；
步骤3，待签发数字证书完成后，采用私钥对rpm软件包进行签名，并将已签名的rpm软件包发布出去；
步骤4，使用者从发布平台获取已签名的rpm软件包，并将与该rpm软件包签名相关的所有数字证书导入本地操作系统中；
步骤5，本地操作系统遍历所有数字证书以实现该rpm软件包的验签工作；
步骤6，待某数字证书t1能够成功验签rpm软件包时，则进一步借助根证书t0验证该数字证书t1是否有效，如果验证有效，即可基于rpm软件包实施安装作业。
进一步地，如图2所示，上述步骤2，具体还包括：
由开发者生成对应的公私钥对，将私钥导入到签名硬件密码钥匙中，且导入后的私钥不能从签名硬件密码钥匙读取出。
进一步地，所述签名硬件密码钥匙内部集成多种国密的加解密算法，将开发者生成的私钥使用sm1算法加密后存储在签名硬件密码钥匙中。
在本发明中，通过合理的管理秘钥的存放，大大提高了rpm软件包管理的安全性。rpm软件开发者生成一对公私钥对，将私钥导入到签名硬件密码钥匙中。可以理解，签名硬件密码钥匙有多种存在形式，例如usb、pcie卡、tf卡等；签名硬件密码钥匙身份鉴别方式有多种形式，例如指纹、虹膜、口令等；具体的，所述签名硬件密码钥匙可以为usbkey设备，但不限于此。出于安全性的设计，导入后私钥不能从签名硬件密码钥匙取出，这是由硬件决定的，这样的设计大大增加了私钥的存储安全性。公钥由ca认证中心生成合法证书，发布到网络上供用户使用。当用户安装某个rpm软件包时，先要去获取rpm软件包签名对应的数字证书，并将该数字证书导入到本地操作系统中，本地操作系统可以导入多个数字证书。
如图3所示，在具体实施例中，rpm软件包发布之前，开发者使用硬件密码钥匙对rpm软件包签名，具体做如下处理：①使用sm3算法对rpm软件包计算哈希值，并将哈希值写入文件头相应的字段中；②使用sm2算法对步骤①计算得到的哈希值进行签名，将签名值写入文件头相应的字段中。rpm软件包使用者在安装rpm软件包时对rpm软件包进行验签，具体步骤如下：①从系统中取出每一个公钥证书；②使用该公钥证书对文件头的签名值进行验签；如果本次验签失败，程序会继续取出下一个公钥证书，并执行步骤②，直到验签成功或遍历完所有的公钥证书。③如果验签成功，则验证证书是否为合法证书。
在实际应用中，可以将对应的usbkey设备插入开发者本地的计算机设备上，此时计算机设备开始枚举外设的usbkey设备，并使用sm3算法计算哈希(hash)值并存储到文件扩展属性中；然后使用导入到usbkey设备中的私钥对hash值进行签名，并将签名值保存到文件扩展属性中。如图4所示。
进一步地，上述步骤3，具体包括：
步骤3-1，使用sm3算法对rpm软件包计算哈希值，并将哈希值写入文件头相应的字段中；
步骤3-2，使用sm2算法对上述步骤3-1计算得到的哈希值进行私钥签名，将签名值写入文件头相应的字段中。
可以理解，为了防止引入木马程序、破坏系统的安全体系，确保rpm软件包来源可靠，用户在安装rpm软件包时，需要对所安装的rpm软件包进行验签，只有验签正确的rpm软件包才允许被安装，具体验签流程如图5所示。
进一步地，上述步骤5，具体包括：
步骤5-1，读取rpm软件包文件头相应字段中的哈希值和签名值；
步骤5-2，遍历本地操作系统中的存储数据库，并取出一个数字证书；
步骤5-3，使用该数字证书对文件头的签名值进行验签，如果本次验签成功，则进入步骤6；如果本次验签失败，则返回步骤5-2继续取出下一个数字证书并执行验签，直到验签成功，则进入步骤6，如果遍历完所有的数字证书仍不能验签成功，则结束后续流程并提示rpm软件包安装失败。
为了防止他人伪造签名，本发明增加了对数字证书合法性的验证。数字证书合法性验证流程如图6所示：
进一步地，上述步骤6，具体包括：
步骤6-1，从本地操作系统的存储数据库中获取根证书t0，并使用根证书t0对需要验证的数字证书t1进行有效性验证；如果验证成功，则证明所述数字证书t1合法有效，即可实施rpm软件包安装作业，如果验证失败，则进入步骤6-2；
步骤6-2，遍历本地操作系统的存储数据库中除根证书t0和需要验证的数字证书t1之外的所有数字证书，并从中取出一个数字证书ti；
步骤6-3，使用该数字证书ti验证数字证书t1的有效性；
如果验证成功，则返回执行步骤6-1，并使用根证书t0对所述数字证书ti的有效性进行验证，如果验证成功，则证明所述数字证书t1合法有效，即可实施rpm软件包安装作业，如果验证失败，则返回执行步骤6-2，并遍历本地操作系统的存储数据库中除根证书t0、数字证书t1以及数字证书ti之外的所有数字证书，对数字证书ti进行有效性验证；
如果验证失败，返回执行步骤6-2，并从中取出下一个数字证书ti 1，并使用该数字证书ti 1验证数字证书t1的有效性。
进一步地，上述步骤6-1，具体还包括：
如果数字证书t1是由根ca中心签发的，则数字证书t1包括根ca中心采用自己私钥签名的信息；在验证数字证书t1有效性时，采用根ca中心的根证书t0公钥对数字证书t1中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书t1是由根ca中心合法签发的，即可实施rpm软件包安装作业。
进一步地，上述步骤6-3，具体还包括：
如果数字证书t1是一级子ca中心签发的，则数字证书t1包括一级子ca中心采用自己私钥签名的信息；如果数字证书ti是由根ca中心签发的，数字证书ti包括根ca中心采用自己私钥签名的信息；
在使用该数字证书ti验证数字证书t1的有效性时，采用一级子ca中心的一级子根证书t01公钥对数字证书t1中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书t1是由一级子ca中心合法签发的，如果验签失败，则说明数字证书t1不是由一级子ca中心合法签发的；
在使用根证书t0对所述数字证书ti的有效性进行验证时，采用根ca中心的根证书t0公钥对数字证书ti中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书ti是由根ca中心合法签发的，即可实施rpm软件包安装作业，如果验签失败，则说明数字证书ti不是由根ca中心合法签发的。
可以理解，对数字证书t1的有效性验证过程可能是多级验证，市级应用中，ca中心可以根据业务、职能需求分为：根ca中心、一级子ca中心、二级子ca中心、三级子ca中心…。根ca中心对应根证书t0，一级子ca中心对应一级子根证书t01，二级子ca中心对应二级子根证书t02，三级子ca中心对应三级子根证书t03…。上一级ca中心能够签发下一级ca中心的根证书，下一级的数字证书合法性验证过程则需要上一级ca中心的根证书，如果数字证书t1是三级子ca中心签发的“四级”数字证书，则具体验证流程为：(1)通过三级子ca中心的三级子根证书t03验证数字证书t1的有效性；(2)待验证成功后，通过二级子ca中心的二级子根证书t02验证三级子根证书t03的有效性；(3)待验证成功后，通过一级子ca中心的一级子根证书t01验证二级子根证书t02的有效性；(4)待验证成功后，通过根ca中心的根证书t0验证一级子根证书t01的有效性，待验证成功后，即可实施rpm软件包安装作业。综上，根ca中心为验证签名rpm软件包的数字证书的权威机构，无论多级验证的验证次数多少，只要最后能够通过根ca中心的根证书t0验证即可认为用于签名rpm软件包的数字证书是合法有效的。
本发明第二方面还提出一种基于操作系统软件包的签名认证系统，用于实现上述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，所述系统包括：
开发平台，用于使开发者生成rpm软件包；
发布平台，用于待rpm软件包生成后，由开发者生成对应的公私钥对，并基于公钥向ca中心请求签发数字证书；待签发数字证书完成后，采用私钥对rpm软件包进行签名，并将已签名的rpm软件包发布出去；
本地操作系统，用于由使用者从发布平台获取已签名的rpm软件包，并导入与该rpm软件包签名相关的所有数字证书；并遍历所有数字证书以实现该rpm软件包的验签工作；待某数字证书t1能够成功验签rpm软件包时，则进一步借助根证书t0验证该数字证书t1是否有效，如果验证有效，即可基于rpm软件包实施安装作业。
进一步地，所述已签名的rpm软件包包括文件头和文件数据，所述文件头包括哈希值和签名值，所述哈希值是使用sm3算法对rpm软件包进行计算获得的；所述签名值是使用sm2算法对上述计算得到的哈希值进行私钥签名获得的。
综上，本发明引入多级签名验签机制，用户在安全操作系统上安装rpm软件包时不仅需要验证签名的正确性，同时还要验证验签的数字证书是否由根证书“直接”或“间接”签发的，确保rpm软件包来源是可靠的。本发明使用国密算法sm2算法对软件包进行签名验签，大大增加了密码的自主可控性和安全性。本发明将签名私钥使用sm1算法加密存储在签名硬件密码钥匙中，进一步保证私钥的安全性。rpm软件包的开发者对软件包进行签名，签名前将签名私钥导入到签名硬件密码钥匙内部，同时将验签公钥的数字证书发布出去。签名时，需要将签名硬件密码钥匙插入到计算机设备上。安装rpm软件包前，用户需要首先获得验签相关的所有数字证书，导入到本地操作系统中，安装时不仅要验证签名值还要验证签名证书是否是根证书“直接”或“间接”签发的。有鉴于此，只有通过根证书“直接”或“间接”签发的私钥签名的rpm软件包才能正常安装，有效防止恶意rpm软件包的扩散，保证了系统的安全性。
以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，包括：
步骤1，由开发者通过开发平台生成rpm软件包；
步骤2，待rpm软件包生成后，由开发者生成对应的公私钥对，并基于公钥向ca中心请求签发数字证书；
步骤3，待签发数字证书完成后，采用私钥对rpm软件包进行签名，并将已签名的rpm软件包发布出去；
步骤4，使用者从发布平台获取已签名的rpm软件包，并将与该rpm软件包签名相关的所有数字证书导入本地操作系统中；
步骤5，本地操作系统遍历所有数字证书以实现该rpm软件包的验签工作；
步骤6，待数字证书t1能够成功验签rpm软件包时，借助根证书t0验证该数字证书t1是否有效，如果验证有效，即可基于rpm软件包实施安装作业。
2.根据权利要求1所述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
由开发者生成对应的公私钥对，将私钥导入到签名硬件密码钥匙中，且导入后的私钥不能从签名硬件密码钥匙读取出。
3.根据权利要求2所述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述签名硬件密码钥匙内部集成多种国密的加解密算法，将开发者生成的私钥使用sm1算法加密后存储在签名硬件密码钥匙中。
4.根据权利要求1所述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3-1，使用sm3算法对rpm软件包计算哈希值，并将哈希值写入文件头相应的字段中；
步骤3-2，使用sm2算法对上述步骤3-1计算得到的哈希值进行私钥签名，将签名值写入文件头相应的字段中。
5.根据权利要求4所述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述步骤5包括：
步骤5-1，读取rpm软件包文件头相应字段中的哈希值和签名值；
步骤5-2，遍历本地操作系统中的存储数据库，并取出一个数字证书；
步骤5-3，使用该数字证书对文件头的签名值进行验签，如果本次验签成功，则进入步骤6；如果本次验签失败，则返回步骤5-2继续取出下一个数字证书并执行验签，直到验签成功，则进入步骤6，如果遍历完所有的数字证书仍不能验签成功，则结束后续流程并提示rpm软件包安装失败。
6.根据权利要求1所述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述步骤6包括：
步骤6-1，从本地操作系统的存储数据库中获取根证书t0，并使用根证书t0对需要验证的数字证书t1进行有效性验证；如果验证成功，则证明所述数字证书t1合法有效，即可实施rpm软件包安装作业，如果验证失败，则进入步骤6-2；
步骤6-2，遍历本地操作系统的存储数据库中除根证书t0和需要验证的数字证书t1之外的所有数字证书，并从中取出一个数字证书ti；
步骤6-3，使用该数字证书ti验证数字证书t1的有效性；
如果验证成功，则返回执行步骤6-1，并使用根证书t0对所述数字证书ti的有效性进行验证，如果验证成功，则证明所述数字证书t1合法有效，即可实施rpm软件包安装作业，如果验证失败，则返回执行步骤6-2，并遍历本地操作系统的存储数据库中除根证书t0、数字证书t1以及数字证书ti之外的所有数字证书，对数字证书ti进行有效性验证；
如果验证失败，返回执行步骤6-2，并从中取出下一个数字证书ti 1，并使用该数字证书ti 1验证数字证书t1的有效性。
7.根据权利要求6所述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述步骤6-1还包括：
如果数字证书t1是由根ca中心签发的，则数字证书t1包括根ca中心采用自己私钥签名的信息；在验证数字证书t1有效性时，采用根ca中心的根证书t0公钥对数字证书t1中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书t1是由根ca中心合法签发的，即可实施rpm软件包安装作业。
8.根据权利要求6所述的一种基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述步骤6-3还包括：
如果数字证书t1是一级子ca中心签发的，则数字证书t1包括一级子ca中心采用自己私钥签名的信息；如果数字证书ti是由根ca中心签发的，数字证书ti包括根ca中心采用自己私钥签名的信息；
在使用该数字证书ti验证数字证书t1的有效性时，采用一级子ca中心的一级子根证书t01公钥对数字证书t1中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书t1是由一级子ca中心合法签发的，如果验签失败，则说明数字证书t1不是由一级子ca中心合法签发的；
在使用根证书t0对所述数字证书ti的有效性进行验证时，采用根ca中心的根证书t0公钥对数字证书ti中的私钥签名信息进行验签，如果验签成功，则说明所述数字证书ti是由根ca中心合法签发的，即可实施rpm软件包安装作业，如果验签失败，则说明数字证书ti不是由根ca中心合法签发的。
9.一种基于操作系统软件包的签名认证系统，用于实现上述权利要求1至8任意一项所述的基于操作系统软件包的签名认证方法，其特征在于，所述系统包括：
开发平台，用于使开发者生成rpm软件包；
发布平台，用于待rpm软件包生成后，由开发者生成对应的公私钥对，并基于公钥向ca中心请求签发数字证书；待签发数字证书完成后，采用私钥对rpm软件包进行签名，并将已签名的rpm软件包发布出去；
本地操作系统，用于由使用者从发布平台获取已签名的rpm软件包，并导入与该rpm软件包签名相关的所有数字证书；并遍历所有数字证书以实现该rpm软件包的验签工作；待数字证书t1能够成功验签rpm软件包时，借助根证书t0验证该数字证书t1是否有效，如果验证有效，即可基于rpm软件包实施安装作业。
10.根据权利要求9所述的一种基于操作系统软件包的签名认证系统，其特征在于，所述已签名的rpm软件包包括文件头和文件数据，所述文件头包括哈希值和签名值，所述哈希值是使用sm3算法对rpm软件包进行计算获得的；所述签名值是使用sm2算法对上述计算得到的哈希值进行私钥签名获得的。
技术总结