Digitale Signatur bei XML-Dokumenten (XML-Signatur)

XML-Basisinformation

XML ist eine sogenannte Markup Language und wird verwendet, um Daten zu strukturieren. Mithilfe von XML-Schemata können bestimmte XML-basierte Datenformate (z.B. webInterface für XML-Rechnungen) festgelegt werden.
Eine Besonderheit von XML ist, dass ein und dasselbe XML Dokument mehrere physische (=byte-)Repräsentationen besitzen kann. Ein Beispiel:

test1.xml:
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<hello>Hello World!</hello>

test2.xml:
<?xml version="1.0" encoding="ISO-8859-15" ?>
<hello>Hello World!</hello>

Obwohl test1.xml und test2.xml verschiedene Dateigrößen aufweisen, sind sie aus XML-Sicht ein und dieselbe Datei. Wenn man nun einfach test1.xml als Datei signieren würde, würde die Signatur für test2.xml nicht mehr gelten. Das erscheint zwar als kein großes Problem, wenn man diese 2 Dateien betrachtet, wenn man aber bedenkt, dass XML darauf ausgelegt ist, von Maschine zu Maschine weitergereicht und dazwischen ausgewertet zu werden, wird das Problem sichtbar. Wenn nun eine Maschine das ISO-8859-15 kodierte File einliest, auswertet, und wieder UTF-8 kodiert ausgibt, um es der nächsten bearbeitenden Applikation zu übergeben, wird die Signatur ungültig, obwohl nur XML Transformationen stattgefunden haben, die den Inhalt des Dokuments nicht verändern.

Zu Vergleichen ist die Problematik mit ASN.1, wo aus diesem Grund DER eingeführt wurde - semantisch gleiche Daten werden auf byte-Ebene gleich abgebildet.

Bei XML gibt es auch eine Technologie, die aus semantisch gleichen XML-Dokumenten eine gleiche physische Repräsentation erzeugt: Canonical XML (C14n).

"DSig" ist XML-Signaturstandard von W3C

Nach der sogenannten Canonicalization ist ein XML Dokument bereit, signiert zu werden. Auch dies könnte theoretisch auf verschiedene Arten passieren, am naheliegendsten ist aber die Verwendung des flexiblen "XML-Signature Syntax and Processing" Standards (DSig) der W3C.

Dieser Standard ist so flexibel, dass es nicht nur möglich ist, XML Dokumente damit zu signieren, sondern beliebige Dokumente. Der Kernpunkt des Standards ist eigentlich, dass die Signatur im XML Format abgelegt wird - egal, welche Art von Daten damit signiert werden.

Es gibt 3 verschiedene Arten, mit DSig zu signieren: Enveloping, Enveloped und Detached. Enveloping und Enveloped Signaturen werden primär auf XML Dokumente angewandt, die Signatur befindet sich dabei zusammen mit den XML Daten in dem selben XML File. Mit einer Detached Signatur können alle Dokumenttypen signiert werden, die Signatur wird in einem eigenen XML File gespeichert. Grundsätzlich können mit XML DSig immer beliebig viele Dokumente auf einmal unterschrieben werden - sie müssen nur mit dem ds:Reference-Tag eingebunden werden.

Unterschreiben des folgenden XML Files (/home/gast/test2.xml):
<rechnung>
<empfaenger>
<vorname>Daniel</vorname>
<nachname>Weller</nachname>
</empfaenger>
</rechnung>

Enveloped Signature:
<rechnung>
<empfaenger>
<vorname>Daniel</vorname>
<nachname>Weller</nachname>
</empfaenger>
<ds:Signature xmlns:ds="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#">
<ds:SignedInfo>
<ds:CanonicalizationMethod Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315"></ds:CanonicalizationMethod>
<ds:SignatureMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"></ds:SignatureMethod>
<ds:Reference URI="">
<ds:Transforms>
<ds:Transform Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#enveloped-signature"></ds:Transform>
<ds:Transform Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315#WithComments"></ds:Transform>
</ds:Transforms>
<ds:DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"></ds:DigestMethod>
<ds:DigestValue>YHkJTgkmev7VDyv1/Iiqm6RMRYk=</ds:DigestValue>
</ds:Reference>
</ds:SignedInfo>
<ds:SignatureValue>
C377H6bQoX39eNFxcdB0GQ/CMMxstEsErhK91CHCnsYnLr+9DZd6Wv+KwdlyINtiYWInBGJJzjPg
W2dp7acCbZYO1lt60qYlnZYTvoCpC1JW9KQhkLg0h5AiRegBJqPj7h+gz6lYrZ1g3kWxg0ZzUEmB
dT0yUjwhp9SqKRoiUXQ=
</ds:SignatureValue>
<ds:KeyInfo>
<ds:X509Data>
<ds:X509Certificate>
MIIFCzCCA/OgAwIBAgICAPAwDQYJKoZIhvcNAQEFBQAwgcwxCzAJBgNVBAYTAkFUMRAwDgYDVQQI
EwdBdXN0cmlhMQ8wDQYDVQQHEwZWaWVubmExOjA4BgNVBAoTMUFSR0UgREFURU4gLSBBdXN0cmlh
biBTb2NpZXR5IGZvciBEYXRhIFByb3RlY3Rpb24xJTAjBgNVBAsTHEEtQ0VSVCBDZXJ0aWZpY2F0
aW9uIFNlcnZpY2UxGDAWBgNVBAMTD0EtQ0VSVCBBRFZBTkNFRDEdMBsGCSqGSIb3DQEJARYOaW5m
b0BhLWNlcnQuYXQwHhcNMDUwOTA2MDAwMDAwWhcNMDcwOTA2MTM0NjMzWjCBgTELMAkGA1UEBhMC
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bCBXZWxsZXIsIE5FVUFVU1NURUxMVU5HKFRlc3QpMR0wGwYJKoZIhvcNAQkBFg5kLndAZnJlZW5l
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MWk88fnm2YdRTU4RKVbmCrfjvrFO6Rvx1/3AaJQ7gFJdbmLUCOm3LUc=
</ds:X509Certificate>
</ds:X509Data>
<ds:KeyValue>
<ds:RSAKeyValue>
<ds:Modulus>
si4csbc69/NYQqm9X1VdLcgPf2nkfDgi8C4JDKji3UWoNISFA8UzuNvk65Hfm9ZNaBXK5E/sE7Bg
CuvNiTKDlyg9u0iJwKqboWoSTvSvQrLcADBtqD0wl0K1y8mF1Dra0CInPIMC/x0tJSpDs6vwSKSR
5d6yIgH6YNjBXx1Lqvc=
</ds:Modulus>
<ds:Exponent>AQAB</ds:Exponent>
</ds:RSAKeyValue>
</ds:KeyValue>
</ds:KeyInfo>
</ds:Signature></rechnung>

Enveloping Signature:
<ds:Signature xmlns:ds="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#">
<ds:SignedInfo>
<ds:CanonicalizationMethod Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315"></ds:CanonicalizationMethod>
<ds:SignatureMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"></ds:SignatureMethod>
<ds:Reference URI="#5pg5d8xpho">
<ds:Transforms>
<ds:Transform Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315#WithComments"></ds:Transform>
</ds:Transforms>
<ds:DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"></ds:DigestMethod>
<ds:DigestValue>FJw+7uwssGSno6pC01roT5pCrOE=</ds:DigestValue>
</ds:Reference>
</ds:SignedInfo>
<ds:SignatureValue>
Me4KrnkhFFP6+1wcw0r54UMS4sn0pyCgLWKJbEMEIvQw9NJ0Jrw/QfRegg0AcHvuYidCS5dDnLm2
vXM5TQFhzsW2PtpBWKG4cdX9D/HYjve4rhdgkH/z9ATqIJEtF1bARL3J46xm93NcnNOHb1vY8m9D
YHUrkPjrmnwirfLm2Wg=
</ds:SignatureValue>
<ds:KeyInfo>
<ds:X509Data>
<ds:X509Certificate>
MIIFCzCCA/OgAwIBAgICAPAwDQYJKoZIhvcNAQEFBQAwgcwxCzAJBgNVBAYTAkFUMRAwDgYDVQQI
EwdBdXN0cmlhMQ8wDQYDVQQHEwZWaWVubmExOjA4BgNVBAoTMUFSR0UgREFURU4gLSBBdXN0cmlh
biBTb2NpZXR5IGZvciBEYXRhIFByb3RlY3Rpb24xJTAjBgNVBAsTHEEtQ0VSVCBDZXJ0aWZpY2F0
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bCBXZWxsZXIsIE5FVUFVU1NURUxMVU5HKFRlc3QpMR0wGwYJKoZIhvcNAQkBFg5kLndAZnJlZW5l
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</ds:X509Certificate>
</ds:X509Data>
<ds:KeyValue>
<ds:RSAKeyValue>
<ds:Modulus>
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CuvNiTKDlyg9u0iJwKqboWoSTvSvQrLcADBtqD0wl0K1y8mF1Dra0CInPIMC/x0tJSpDs6vwSKSR
5d6yIgH6YNjBXx1Lqvc=
</ds:Modulus>
<ds:Exponent>AQAB</ds:Exponent>
</ds:RSAKeyValue>
</ds:KeyValue>
</ds:KeyInfo>
<ds:Object Id="5pg5d8xpho"><rechnung>
<empfaenger>
<vorname>Daniel</vorname>
<nachname>Weller</nachname>
</empfaenger>
</rechnung></ds:Object>
</ds:Signature>

Der große Unterschied zwischen diesen beiden Formaten ist, dass bei der Enveloped Signatur die Reference URI="" ist - also sich auf das gesamte Dokument (ausgenommen dem Inhalt des Signature-Tags) bezieht, während bei der Enveloping Signatur die Reference URI="#5pg5d8xpho" ist. Diese Referenz bezieht sich also auf das gleiche Dokument, und zwar spezifisch auf das Element mit der id "5pg5d8xpho". Dieses Element ist das Object Element, in dem die zu signierenden Daten verpackt sind.
Diese Reference-Tags ermöglichen es also, genau zu bestimmen, auf was sich die Signatur bezieht: Ganze XML Dokumente, Teile von XML Dokumenten, nicht-XML Daten.
Es ist auch möglich, einen über eine XPath Expression definierten Bereich eines XML Files zu unterschreiben - die Möglichkeiten sind quasi endlos.

Detached Signature
<ds:Signature xmlns:ds="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#">
<ds:SignedInfo>
<ds:CanonicalizationMethod Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315"></ds:CanonicalizationMethod>
<ds:SignatureMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#rsa-sha1"></ds:SignatureMethod>
<ds:Reference URI="file:///home/gast/test2.xml">
<ds:Transforms>
<ds:Transform Algorithm="http://www.w3.org/TR/2001/REC-xml-c14n-20010315#WithComments"></ds:Transform>
</ds:Transforms>
<ds:DigestMethod Algorithm="http://www.w3.org/2000/09/xmldsig#sha1"></ds:DigestMethod>
<ds:DigestValue>YHkJTgkmev7VDyv1/Iiqm6RMRYk=</ds:DigestValue>
</ds:Reference>
</ds:SignedInfo>
<ds:SignatureValue>
bdGQ7KXzwCESRRMW49Wd+Fg3LPpzs7KKjGwQfnr0EYMVqku75HaLoxjtssGzwAylvemQEkIiEhIO
szZeH/LeM97e4knNwNSXN4Wor2djqQFQOsMJQt4x9vW+9i+uPVlXF1jOMPDS2TSsgoQWTZog9+h4
/veQvi10H6LVxp+XHIM=
</ds:SignatureValue>
<ds:KeyInfo>
<ds:X509Data>
<ds:X509Certificate>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MBaAFDd/Pj6ZcWDKJNSRE3nQdCm0qCTYMBkGA1UdEQQSMBCBDmQud0BmcmVlbmV0LmF0MC8GA1Ud
EgQoMCaBDmluZm9AYS1jZXJ0LmF0hhRodHRwOi8vd3d3LmEtY2VydC5hdDA5BgNVHR8EMjAwMC6g
LKAqhihodHRwOi8vd3d3LmEtY2VydC5hdC9zdGF0aWMvYWR2YW5jZWQuY3JsMA4GA1UdDwEB/wQE
AwIE8DARBglghkgBhvhCAQEEBAMCBPAwUQYDVR0gBEowSDBGBggqKAAYAQEBAzA6MDgGCCsGAQUF
BwIBFixodHRwOi8vd3d3LmEtY2VydC5hdC9jZXJ0aWZpY2F0ZS1wb2xpY3kuaHRtbDA7BglghkgB
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MWk88fnm2YdRTU4RKVbmCrfjvrFO6Rvx1/3AaJQ7gFJdbmLUCOm3LUc=
</ds:X509Certificate>
</ds:X509Data>
<ds:KeyValue>
<ds:RSAKeyValue>
<ds:Modulus>
si4csbc69/NYQqm9X1VdLcgPf2nkfDgi8C4JDKji3UWoNISFA8UzuNvk65Hfm9ZNaBXK5E/sE7Bg
CuvNiTKDlyg9u0iJwKqboWoSTvSvQrLcADBtqD0wl0K1y8mF1Dra0CInPIMC/x0tJSpDs6vwSKSR
5d6yIgH6YNjBXx1Lqvc=
</ds:Modulus>
<ds:Exponent>AQAB</ds:Exponent>
</ds:RSAKeyValue>
</ds:KeyValue>
</ds:KeyInfo>
</ds:Signature>

Die angeführte Detached Signatur unterschreibt das gleiche Dokument wie die vorhergehenden Beispiele, nur sind diesmal die zu unterschreibenden XML Daten über die Reference URI file:///home/gast/test2.xml eingebunden - sie befinden sich also in einer anderen Datei. Es ist also offensichtlich, dass bei der Verwendung von detached Signatures die zu unterschreibenden Daten so gespeichert werden, dass sie immer über dieselbe URI erreichbar sind - sonst verliert die Signatur ihre Gültigkeit.

XML-Erweiterung für qualifizierte Signaturen (XAdES)

Qualifizierte XML-Signaturen verwenden zur Darstellung der Qualifizierungseigenschaften die Erweiterung (XAdES) in verschiedenen Varianten.