電子收據(jù)

本項目所實現(xiàn)的技術(shù)是面向移動支付服務(wù)中的一個必要環(huán)節(jié)：電子收據(jù)憑證。電子收據(jù)的核心部分是數(shù)字簽名技術(shù)。使用數(shù)字簽名技術(shù)需要三方的參與：可信第三方（仲裁）、商家以及消費(fèi)者。所有使用電子收據(jù)服務(wù)的商家事先公布必要的簽名信息（公鑰）。消費(fèi)者消費(fèi)之后從商家獲得電子收據(jù)，并從可靠的第三方獲得商家的公鑰，從而驗證該收據(jù)的有效性。由于電子簽名的不可偽造性，消費(fèi)者之后能夠利用可信第三方的信息和自己手機(jī)存儲器上的收據(jù)信息來證明消費(fèi)的單據(jù)，從而維護(hù)自己的權(quán)益。

基于彩虹算法的數(shù)字簽名技術(shù)

1、數(shù)字簽名介紹

數(shù)字簽名是一中認(rèn)證機(jī)制，它使得消息的產(chǎn)生著可以添加一個起簽名作用的碼字。通過計算消息的散列值并用產(chǎn)生者的私鑰加密散列值來生成簽名。簽名保證了消息的來源和完整性。

數(shù)字簽名可以用于雙向認(rèn)證和單向認(rèn)證。雙向認(rèn)證使得通信的雙方對相互的身份感到放心，并交換會話密鑰。而單向認(rèn)證的時候，接收方能夠確保消息的確來源于發(fā)送方，而且發(fā)送方無法抵賴層放松的消息。

數(shù)字簽名包含幾個特征：簽名能夠驗證簽名者、簽名日期和時間；簽名能夠驗證被簽的消息內(nèi)容；簽名能夠由第三方仲裁，以解決爭執(zhí)。

一個能夠應(yīng)用的數(shù)字簽名算法需要滿足以下幾個最基本的條件：產(chǎn)生和識別簽名是容易的；偽造簽名是不可能的；保存簽名備份是可行的。

2、數(shù)字簽名安全性與不可抵賴性

在本項目中，使用數(shù)字簽名的作用是使電子收據(jù)的接受方（消費(fèi)者）能夠確認(rèn)收據(jù)來源的權(quán)威性，而且使商家不能夠抵賴已進(jìn)行的交易，以電子票據(jù)的方式保護(hù)消費(fèi)者的權(quán)益。
由于數(shù)字簽名的不可偽造性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)爭執(zhí)的時候，消費(fèi)者能夠用保存在終端（手機(jī)）之中的消費(fèi)數(shù)據(jù)中的簽名，證明消費(fèi)過程和權(quán)益。數(shù)字簽名和普通的紙質(zhì)票據(jù)具有同樣的法律效力，且數(shù)字簽名具有易攜性和非易失性的特點(diǎn)，必會在將來得到大規(guī)模的應(yīng)用。

3、簽名的過程

在本項目簽名的過程中涉及到商家（發(fā)送方），消費(fèi)者（接收方），可能還涉及到第三方仲裁者。我們假設(shè)商家已經(jīng)將其公鑰公布出去。當(dāng)消費(fèi)者進(jìn)行消費(fèi)的時候，已經(jīng)其公鑰了。那么，當(dāng)需要產(chǎn)生一個簽名票據(jù)的時候，商家將票據(jù)信息（時間日期商品數(shù)量價格廠家名字等等）做一個HASH，得到一個固定字長的序列，假設(shè)為M，然后用其私鑰對該M進(jìn)行加密，即得到S=Eprivate（H(M)）。然后將其發(fā)送給接收方。接收方就可以保存M||S作為電子票據(jù)。

那么如何驗證發(fā)送方的簽名呢？消費(fèi)者只需要計算S1=Epublic(S)，然后計算S2 =H(M)，再判斷S1與S2是否相等即可。相等則簽名的驗證通過，否則不通過。

4、彩虹算法

彩虹算法是一種多變量公鑰密鑰體制的簽名算法。多變量密碼體制(MPKC)被認(rèn)為是能夠抵御基于量子計算機(jī)攻擊的新型公鑰密碼體制之一。其基本理論依據(jù)是基于求解有限域上的一組隨機(jī)選擇的非線性方程組的困難性。這是一個NP難問題，即使是使用量子計算機(jī)也不會減少破解其的困難性。彩虹算法被認(rèn)為是MPKC體系發(fā)展至今，一個公認(rèn)的安全可靠的簽名算法。彩虹算法是基于油醋算法的變形，其可以理解為多層的非平衡油醋。而油醋多項式的特征是：油變量僅以線性形式出現(xiàn)的二次多項式。當(dāng)簽名者隨機(jī)選取醋變量的值后，通過求解多元一次方程組即可得出簽名信息。而驗證者只需做簡單的算術(shù)運(yùn)算即可驗證簽名是否正確。簽名和驗證的過程都效率都十分高。同時，在彩虹體系中，公鑰是油醋變量混合在一起的非線性方程，具有很高的安全性。

系統(tǒng)整體架構(gòu)與工作流程

1、軟件架構(gòu)

商家PC端手機(jī)發(fā)送商品以及交易信息到ＦＰＧＡ開發(fā)板，開發(fā)板上實現(xiàn)彩虹簽名算法，開發(fā)板對商品信息做了簽名之后，通過藍(lán)牙將電子收據(jù)發(fā)送到手機(jī)Android端。Android手機(jī)在藍(lán)牙端接收到電子收據(jù)后，從第三方獲取公鑰，并在本地驗證電子收據(jù)簽名的有效性。有效則交易完成，否則可重新要求商家簽發(fā)電子收據(jù)。

2、硬件架構(gòu)

PC端通過藍(lán)牙與FPGA板塊通信，實現(xiàn)交易信息的發(fā)送。FPGA板通過藍(lán)牙與手機(jī)android端通信，實現(xiàn)簽名完成后的電子收據(jù)的發(fā)送。

3、系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)流

首先商家向權(quán)威第三方注冊，公布自己的公鑰。在交易之后，商家首先將交易信息（時間、商品、數(shù)量和價格等等信息）以及自己的私鑰發(fā)送到ＦＰＧＡ板上，ＦＰＧＡ板對交易信息做簽名，連同商品信息一道，作為電子收據(jù)，通過藍(lán)牙通信發(fā)送到移動android終端。移動終端從第三方獲取公鑰信息，并在手機(jī)本地做簽名的驗證。驗證通過則保存該電子收據(jù)作為交易憑證，交易過程結(jié)束。

而當(dāng)發(fā)生糾紛消費(fèi)者需要維權(quán)的時候，由于可信的第三方保存著商家的公鑰，而擁有公鑰的實體都可以進(jìn)行電子收據(jù)簽名的認(rèn)證。是商家不能抵賴電子收據(jù)所表示的進(jìn)行過的電子交易。

具體實現(xiàn)

1、藍(lán)牙通信的實現(xiàn)

本項目的藍(lán)牙是使用HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊實現(xiàn)的。fpga開發(fā)板通過控制藍(lán)牙串口通信模塊，使用AT指令與手機(jī)android端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。手機(jī)android端在與fpga板成功對接之后，利用藍(lán)牙通信技術(shù)與fpga板子通信。從fpga板子上獲取經(jīng)過電子簽名之后的電子收據(jù)。

2、密鑰芯片的實現(xiàn)

本項目的核心模塊是密鑰模塊。即使為電子收據(jù)做簽名的硬件模塊。使用verilogHDL語言實現(xiàn)，并生成為一個IP核。使用開發(fā)板上的microblaze核來實現(xiàn)所有的邏輯業(yè)務(wù)，將實現(xiàn)彩虹簽名算法的ip核作為一個被調(diào)用的模塊添加進(jìn)來。

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