数字签名和数字证书

F.A

密码学

发布于：Sep 10, 2020

介绍了数字签名和数字证书

散列函数和消息摘要

一段信息，经过摘要算法(散列函数)得到一串哈希值，就是摘要(dijest)。

信息是任意长度，而摘要是定长。

摘要算法有MD5、SHA1、SHA256、SHA512等，算法把无限的映射成有限，因此可能会有碰撞（两个不同的信息，算出的摘要相同）

摘要不同于加密算法，因为不存在解密，只不过从摘要反推原信息很难（可以认为能加密但无法解密还原，但可以用于比对）。类比到人的话：时间一直向前走，我没有办法从现在的你身上反观到你过去的样子，也没法从现在的他身上反观到他过去的样子……但你们现在的样子依然有作用，那就是在于“是否相同”：我可以通过比对现在的你和现在的他是否相同，来判断过去的你和他是否相同，而无需知道过去的你和过去的他具体是什么样子。

摘要相同，信息一定相同。如果两张图片的md5相同，说明图片完全一样。

一个安全的摘要算法需要满足：

1、输入长度是任意的，输出是固定的
2、对每一个给定的输入,计算输出是很容易的
3、给定H,找到两个不同的输入，输出同一个值在计算上不可行
4、给定H和一个消息x,找到另一个不同的消息y，使它们散列到同一个值在计算上不可行
常见的散列算法：MD2、MD4、MD5、SHA、SHA-1

数字签名

数字签名是指发送方以电子形式签名一个消息或文件，签名后的消息或文件能在网络中传输，并表示签名人对该消息或文件的内容负有责任。数字签名综合使用了消息摘要和非对称加密技术，可以保证接受者能够核实发送者对报文的签名，发送者事后不抵赖报文的签名，接受者不能篡改报文内容和伪造对报文的签名。

数字签名需要做到两点：

1、确认信息是由签名者发送的；
2、确认信息从签发到接受没有被修改过。

数字签名的过程与示意图：

1、发送方要发送消息运用散列函数（MD5、SHA-1等）形成消息摘要；
2、发送方用自己的私钥对消息摘要进行加密，形成数字签名；
3、发送方将数字签名附加在消息后发送给接收方；
4、接受方用发送方的公钥对签名信息进行解密，得到消息摘要；
5、接收方以相同的散列函数对接收到的消息进行散列，也得到一份消息摘要；
6、接收方比较两个消息摘要，如果完全一致，说明数据没有被篡改，签名真实有效；否则拒绝该签名。

如果通信的内容是加密的，就需要采用数字信封：发送方用对称密钥加密明文，然后用对方的公钥加密对称密钥发送给对方，对方收到电子信封，用自己的私钥解密，得到对称密钥解密，还原明文。此时数字签名的过程如下：

1、发送方要发送消息运用散列函数（MD5、SHA-1等）形成消息摘要；
2、发送方用自己的私钥对消息摘要进行加密，形成数字签名；
3、发送方用对称加密算法对消息原文、数字签名进行加密，得到密文信息；
4、发送方用接收方的公钥加密对称加密算法的密钥进行加密，形成数字信封；
5、发送方将3中的密文信息和数字信封一起发给接收方；
6、接收方首先用自己的私钥解密数字信封，还原对称加密算法的密钥；
7、接受方用6中的密钥解密接收到的密文，得到原文信息和数字签名；
8、接受方用发送方的公钥对签名信息进行解密，得到消息摘要；
9、接收方以相同的散列函数对接收到的消息进行散列，也得到一份消息摘要；
10、接收方比较两个消息摘要，如果完全一致，说明数据没有被篡改，签名真实有效；否则拒绝该签名。

数字证书

数字签名中“公钥”可能被攻击者替换，为了保证“公钥”是可信的，数字证书应运而生。

数字证书是一种权威的电子文档，由权威公正的第三方认证机构（CA）签发，广泛用于涉及需要身份认证和数据安全的领域。

注意这里有两个不同的非对称算法（对应2个公钥私钥对），一个算法是发送方加密摘要的，用于生成数字签名；另一个算法是CA加密发送方公钥的，用于生成数字证书。两个算法相互独立，没有必然联系。

发送时不仅发送内容、数字签名，还包含发送方的数字证书。接收方拿到后，首先从数字证书中解密出发送方公钥（用的是CA的公钥和CA解密算法），这个公钥必然是可信的。然后就是和前面一样的流程，拿发送方公钥去解密数字证书，得到摘要；最后比对摘要是否一致。

CA是第三方权威机构，CA公钥是公开的，因此不可能伪造。

@example : https

工作流程，基本分为三个阶段：
1、认证服务器。浏览器内置一个受信任的CA机构列表，并保存了这些CA机构的证书。第一阶段服务器会提供经CA机构认证颁发的服务器证书，如果签发该证书的CA，存在于浏览器的受信任CA列表中（也就是签发该证书的CA的根证书，能够与客户端中保存的CA根证书比对上），说明这个CA是可信任的，可以保证证书不假。然后，再进一步判断服务器证书中的信息与当前正在访问的网站（域名等）一致，那么浏览器就认为服务端是可信的，并从服务器证书中取得服务器公钥，用于后续流程。否则，浏览器将提示用户，根据用户的选择，决定是否继续。 客户端是否能够信任这个站点的证书，首先取决于客户端程序是否导入了证书颁发者的根证书。

2、协商会话密钥。客户端在认证完服务器，获得服务器的公钥之后，利用该公钥与服务器进行加密通信，协商出两个会话密钥，分别是用于加密客户端往服务端发送数据的客户端会话密钥，用于加密服务端往客户端发送数据的服务端会话密钥。在已有服务器公钥，可以加密通讯的前提下，还要协商两个对称密钥的原因，是因为非对称加密相对复杂度更高，在数据传输过程中，使用对称加密，可以节省计算资源。另外，会话密钥是随机生成，每次协商都会有不一样的结果，所以安全性也比较高。

3、加密通讯。此时客户端服务器双方都有了本次通讯的会话密钥，之后传输的所有Http数据，都通过会话密钥加密。这样网路上的其它用户，将很难窃取和篡改客户端和服务端之间传输的数据，从而保证了数据的私密性和完整性。

IE浏览器在验证证书的时候主要从下面三个方面考察，只要有任何一个不满足都将给出警告

证书的颁发者是否在“根受信任的证书颁发机构列表”中
证书是否过期
证书的持有者是否和访问的网站一致

数字证书种类：

1、服务器证书：证明服务器的身份和进行通信加密，客户端可以与服务器端建立SSL连接，然后通信数据都会被加密。
2、电子邮件证书：证明电子邮件发件人的真实性，也可发送加密邮件，只有接收方才能打得开。
3、客户端证书：主要用于身份验证和数字签名，安全的客户端证书经常存储的专门的USBKey中，使用的时候需要输入保护密码，以防被导出和复制，如指纹识别、语音播报、带显示器的USBKey等等。