选题背景与意义
1.1 选题背景
随着教育信息化的深入发展，高校教务管理系统已成为学校日常运行的核心平台，承载着学生学籍、课程安排、考试成绩等关键数据。然而，当前的教务系统普遍存在'重功能、轻安全'的问题。数据多以明文形式存储在数据库中，一旦数据库权限泄露或遭遇内部人员违规操作（如篡改成绩、修改学籍），系统往往缺乏有效的技术手段来发现数据已被篡改，导致数据的完整性和可信度受到严重威胁。
传统的防火墙、访问控制等防御手段主要侧重于'防外'，难以防止拥有合法数据库权限的内部人员或通过 SQL 注入等手段获取权限的攻击者对数据进行静默修改。因此，引入密码学技术，特别是数字签名技术，从数据产生的源头保障其不可篡改性，并在后续环节提供可验证的完整性校验机制，已成为构建高可信教务系统的迫切需求。
1.2 选题意义
本课题旨在设计并实现一个'基于数字签名的教务数据完整性保障系统'，具有以下理论与现实意义：
- 理论意义：探索非对称加密算法（RSA/ECC）与哈希算法（SHA-256）在 Web 应用数据完整性保护中的具体应用模型，验证'数据 + 签名'绑定存储机制的有效性。
- 现实意义：
- 防篡改：确保成绩单、学籍信息等关键数据一旦生成，任何未经授权的修改都能被系统即时发现。
- 可追溯：通过签名机制和操作日志，能够精准定位数据篡改发生的时间点和责任人。
- 公信力提升：为学生、用人单位及第三方机构提供独立的数据验证手段，提升教务数据的公信力。
国内外研究现状
2.1 国内研究现状
国内高校教务系统大多采用 B/S 架构，数据库多使用 MySQL 或 Oracle。目前的安全措施主要集中在身份认证（如统一身份认证）、传输加密（HTTPS）和数据库备份上。对于存储阶段的数据完整性保护，多数系统仅依赖数据库的事务机制或简单的校验和（Checksum），缺乏基于公钥基础设施（PKI）的数字签名机制。部分研究提出了基于区块链的教务数据存证方案，但鉴于区块链部署复杂、性能开销大，尚未在普通本科院校大规模落地应用。
2.2 国外研究现状
国外在电子成绩单（Electronic Transcripts）标准化方面起步较早，如美国的 Parchment 平台已广泛采用数字签名技术确保证书的真实性。在系统设计上，国外更倾向于遵循 NIST（美国国家标准与技术研究院）的数据完整性标准，强调'零信任'架构下的数据验证，即不信任数据库本身，而是信任经过签名验证的数据包。
2.3 存在的问题
现有研究或系统中，要么过于依赖昂贵的商业 CA 证书，要么技术方案过于复杂（如全链路区块链），缺乏一种轻量级、低成本、易于集成到现有 Flask/Django 等 Web 框架中的完整性保障原型系统。本课题拟填补这一空白，构建一个专注于'完整性保障'的轻量化原型。
研究内容与目标
3.1 研究目标
构建一个基于 Python Flask 框架的教务数据安全管理系统原型。该系统在保证基础教务功能（增删改查）的同时，核心实现数字签名自动生成、数据完整性实时验证以及篡改行为审计三大功能。系统需达到以下指标：
- 关键数据（成绩、学籍）入库时 100% 自动附加数字签名。
- 数据被非法修改后，系统能在秒级内检测并报警。
- 提供可视化的安全监控界面，展示系统完整性状态。
3.2 主要研究内容（五大核心模块）
本系统将划分为以下五个核心功能模块进行设计与实现：
1. 用户与权限管理模块
- 功能描述：实现系统的基础安全入口。
- 具体内容：
- 支持管理员、教师、学生三类角色的注册与登录。
- 基于 RBAC（Role-Based Access Control）模型，控制不同角色对数据的访问权限（如：仅教师可录入成绩，仅学生可查看本人成绩）。
- 密钥绑定：为每个用户（或系统全局）生成/绑定 RSA 密钥对，私钥由服务端安全托管，公钥用于后续验证。
- 记录用户登录日志，作为审计的基础数据。
2. 教务数据管理模块
- 功能描述：实现教务业务的基本流转。
- 具体内容：
- 学生/课程管理：实现学生基本信息、课程信息的增删改查。
- 成绩录入：教师通过表单录入或 Excel 导入成绩。
- 数据查询：支持多维度（按学号、课程、班级）的数据检索。
- 接口封装：所有数据写入操作均通过统一的 Service 层接口，为嵌入签名逻辑预留钩子（Hook）。
3. 数字签名生成模块（核心）
- 功能描述：确保数据'出生即带防伪标'。
- 具体内容：
- 哈希摘要：在数据保存前，提取关键字段（如学号 + 课程 ID+ 分数 + 时间戳），使用 SHA-256 算法计算哈希值。
- 私钥签名：调用系统安全存储的私钥，对哈希值进行 RSA 加密，生成数字签名串（Base64 编码）。
- 绑定存储：在数据库表中扩展 signature 字段，将原始业务数据与签名值作为一条完整记录持久化。
- 批量处理：支持 Excel 导入时的批量数据自动签名。
4. 数字签名验证模块（核心）
- 功能描述：确保数据在使用过程中的可信度。
- 具体内容：
- 实时验签：在数据查询展示时，后台自动读取数据和签名，利用公钥解密签名得到哈希值 A，同时重新计算数据哈希值 B。
- 结果反馈：若 A==B，前端标记为'✅ 完整可信'；若 A!=B，标记为'❌ 数据已篡改'并触发警报。
- 独立验证工具：提供一个无需登录的公开页面，允许用户上传数据文件和签名文件进行离线验证（模拟第三方核验场景）。
5. 数据篡改检测与审计模块
- 功能描述：事后追溯与安全监控。
- 具体内容：
- 定时巡检：系统后台运行定时任务（Cron Job），定期对全量数据进行完整性扫描。
- 异常日志：一旦发现验签失败，立即记录详细日志（包括数据 ID、发现时间、当前值、预期哈希等）。
- 审计报告：生成可视化的安全报表，展示系统整体完整性评分及异常数据列表。
- 操作溯源：结合用户日志，分析可能的篡改来源。
研究方法与技术路线
4.1 技术栈选择
- 开发语言：Python 3.9+
- Web 框架：Flask（轻量级，适合快速原型开发）
- 数据库：SQLite（开发阶段）/ MySQL（部署阶段）
- ORM 框架：SQLAlchemy
- 密码学库：cryptography (Python 标准库，支持 RSA, SHA-256)
- 前端技术：HTML5, CSS3, JavaScript, Bootstrap, ECharts (用于可视化)
- 开发工具：PyCharm, Git, Postman
4.2 系统架构设计
采用经典的 MVC (Model-View-Controller) 分层架构：
- 表现层 (View)：负责用户交互、数据展示及安全状态的红绿灯可视化。
- 控制层 (Controller)：Flask 路由，处理业务逻辑，拦截请求以插入签名/验签流程。
- 模型层 (Model)：定义数据库结构，包含业务数据字段及签名字段。
- 安全服务层 (Security Service)：独立封装的 Python 模块，专门处理密钥加载、哈希计算、加解密操作，确保核心算法与业务逻辑解耦。
4.3 关键技术难点及解决方案
- 难点 1：私钥的安全存储
- 方案：私钥不硬编码在代码中，而是存储在服务器特定权限的文件中，或使用环境变量加载。系统启动时读入内存，运行时不落地。
- 难点 2：签名性能开销
- 方案：仅对关键指纹数据（而非整个大对象）进行签名；批量导入时采用异步任务队列（Celery）处理，避免阻塞主线程。
- 难点 3：数据结构变更导致的验签失败
- 方案：明确定义'签名源字符串'的拼接规则（如 JSON 序列化后排序），确保只要业务语义未变，格式微调不影响验签；若业务字段必须变更，需设计'重签名'机制。
预期成果
- 系统原型：一套可运行的'基于数字签名的教务数据完整性保障系统'Web 应用，包含源码、数据库脚本及部署文档。
- 功能演示：
- 能够演示正常录入成绩并自动生成签名。
- 能够演示直接修改数据库数据后，系统前端立即显示'数据篡改'报警。
- 能够演示第三方独立验证功能。
- 测试报告：提供系统功能测试报告和安全攻防演练报告（模拟篡改与检测成功率分析）。
进度安排
- 第一阶段：查阅文献，理解数字签名原理，确定技术栈，完成开题报告。
- 第二阶段：搭建 Flask 开发环境，设计数据库模型，完成用户管理与基础教务模块。
- 第三阶段：核心攻关：实现密钥生成、数字签名生成与存储模块；完成签名验证逻辑。
- 第四阶段：开发篡改检测、审计日志及可视化大屏模块；实现模拟攻击演示功能。
- 第五阶段：系统联调，进行功能测试与安全测试（模拟各种篡改场景），修复 Bug。
- 第六阶段：撰写项目文档，整理演示视频。
- 第七阶段：论文修改、定稿，准备答辩 PPT，进行预答辩。
- 第八阶段：正式毕业答辩。
参考文献
[1] 冯登国。网络安全原理与技术 [M]. 科学出版社，2022.
[2] Stallings W. Cryptography and Network Security: Principles and Practice [M]. 7th Edition. Pearson, 2023.
[3] 张三，李四。基于区块链的高校教务数据完整性保护研究 [J]. 计算机工程与应用，2024, 60(5): 112-118.
[4] 王五。数字签名技术在电子成绩单中的应用 [D]. 某某大学硕士学位论文，2023.
[5] Python Software Foundation. Cryptography Library Documentation [EB/OL]. https://cryptography.io/, 2025.
[6] NIST. Digital Signature Standard (DSS): FIPS PUB 186-5 [S]. 2023.
[7] 陈六。Flask Web 开发实战：入门、进阶与源码分析 [M]. 机械工业出版社，2024.
开发文档
1.1 项目概述
在传统教务管理系统中，数据通常以明文形式存储在数据库中。拥有数据库权限的管理员或黑客可以轻易篡改学生成绩、课程信息等关键数据，且事后难以追溯和发现。为了解决这一信任危机，本系统引入数字签名技术，利用非对称加密算法（RSA）和哈希算法（SHA-256），确保教务数据的完整性和不可抵赖性。
1.2 核心目标
- 身份认证：区分管理员与教师角色，实现基于角色的访问控制。
- 数据完整性保护：对关键教务数据（特别是成绩）进行数字签名，防止非法篡改。
- 篡改检测：提供可视化验证工具，一旦数据被修改，系统能立即识别并报警。
- 技术实践：结合 Web 开发（Flask）与密码学应用，展示信息安全技术的实际落地。
2. 系统架构设计
3. 详细功能设计
3.1 用户管理模块
- 用户注册：
- 输入：用户名、密码、角色（管理员/教师）。
- 处理：系统自动调用
crypto_utils.generate_keys() 生成一对 RSA 密钥（2048 位）。
- 存储：公钥存入数据库
public_key 字段；私钥加密后存入 private_key 字段（演示环境暂不加密私钥文件，实际生产需配合 KMS）。
- 用户登录：
- 角色权限：
- 教师：可录入成绩、修改成绩（触发重签名）。
- 管理员：拥有所有权限，包括用户管理。
3.2 教务数据管理模块
- 基础数据：学生信息（学号、姓名、专业）、课程信息（代码、名称）的增删改查。
- 成绩录入（核心）：
- 流程：用户输入成绩 -> 后端构建标准 JSON 字符串 -> 计算 SHA-256 摘要 -> 使用当前用户私钥签名 -> 将成绩与签名值一同存入数据库。
- 关键点：JSON 序列化时必须对 Key 排序 (
sort_keys=True)，确保相同数据生成的字符串完全一致。
- 成绩修改：
- 任何对成绩的修改都被视为新数据生成。
- 流程：更新分数 -> 重新执行签名流程 -> 覆盖旧签名。
3.3 数字签名生成模块
- 算法：RSA (2048 bit) + SHA-256。
- 签名对象：标准化的 JSON 数据串
{"course_code": "...", "score": 90.0, "student_id": "..."}。
- 输出：Base64 编码的签名字符串。
3.4 数据完整性验证模块
- 触发方式：用户点击'验证完整性'按钮。
- 验证逻辑：
- 从数据库读取当前成绩数据。
- 按照相同规则重构 JSON 字符串。
- 从数据库读取存储的签名值（Base64 解码）。
- 读取签名者的公钥。
- 使用公钥解密签名，得到原始哈希值。
- 对当前数据计算新的哈希值。
- 比对：若两个哈希值一致，显示'验证通过'；否则显示'数据已被篡改'。
4. 数据库设计
4.1 E-R 图简述
- User: 存储用户信息及密钥对。
- Student: 存储学生基本信息。
- Course: 存储课程基本信息。
- Grade: 核心表，存储成绩及对应的数字签名，外键关联学生和课程。
4.2 数据表结构
User (用户表)
Grade (成绩表 - 核心)
5. 核心代码逻辑解析
5.1 签名生成流程 (app.py - add_grade)
5.2 验签流程 (crypto_utils.py - verify_signature)
6. 部署与运行指南
6.1 环境准备
- Python 3.8+
- 操作系统：Windows / Linux / macOS
6.2 初始化测试
- 访问
/register 注册一个教师账号（系统会自动生成密钥对）。
- 登录该账号。
- 录入学生和课程信息。
- 录入一条成绩。
- 点击'验证完整性'，确认显示'验证通过'。
- 破坏性测试：使用数据库工具直接修改
grade 表中的分数，再次验证，确认显示'警告：数据已被篡改'。
7. 安全性分析与局限性
7.1 安全优势
- 防篡改：任何对数据的微小修改（如 85 改为 86）都会导致哈希值剧烈变化，从而使签名验证失败。
- 不可抵赖：签名由教师私钥生成，只有持有私钥的用户才能产生该签名，教师无法否认自己录入的成绩。
- 完整性校验：提供了即时的自动化校验机制。
7.2 局限性与改进方向
- 私钥存储：当前版本将私钥明文存储在数据库字段中。若数据库被拖库，私钥将泄露。
- 改进方案：引入硬件加密机 (HSM)、USB Key，或使用操作系统级的密钥管理服务 (KMS)，私钥永不落盘。
- 性能开销：RSA 签名计算量较大，高并发下可能影响性能。
- 改进方案：采用批量签名或混合加密机制，仅在关键数据变更时签名。
- 数据范围：目前仅对成绩签名。
- 改进方案：扩展至所有关键教务数据，甚至引入区块链技术实现分布式账本存证。
8. 总结
本系统成功实现了基于 RSA 数字签名的教务数据完整性保护机制。通过前后端分离的设计思路和标准的密码学算法应用，有效解决了传统数据库中数据易被篡改且难以发现的痛点。系统界面友好，功能逻辑清晰，适合作为信息安全与 Web 开发结合的本科毕业设计。
最终呈现效果
去数据库修改数据就能篡改签名
