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什么是数字签名和证书?

公钥密码系统是本文的理解基础。
本文不对公钥密码系统做过多描述。若对公钥密码不熟悉,可以参考阅读维基百科-公开密钥加密

1.信息安全三要素

信息安全中有三个需要解决的问题:

  1. 保密性(Confidentiality):信息在传输时不被泄露
  2. 完整性(Integrity):信息在传输时不被篡改
  3. 有效性(Availability):信息的使用者是合法的

这三要素统称为CIA Triad。

公钥密码解决保密性问题
数字签名解决完整性问题和有效性问题

2.数字签名

现实生活中,签名有什么作用?在一封信中,文末的签名是为了表示这封信是签名者写的。计算机中,数字签名也是相同的含义:证明消息是某个特定的人,而不是随随便便一个人发送的;除此之外,数字签名还能证明消息没有被篡改。

简单来说,数字签名(digital signature)是公钥密码的逆应用:用私钥加密消息,用公钥解密消息。

用私钥加密的消息称为签名,只有拥有私钥的用户可以生成签名。
用公钥解密签名这一步称为验证签名,所有用户都可以验证签名(因为公钥是公开的)

一旦签名验证成功,根据公私钥数学上的对应关系,就可以知道该消息是唯一拥有私钥的用户发送的,而不是随便一个用户发送的。

由于私钥是唯一的,因此数字签名可以保证发送者事后不能抵赖对报文的签名。由此,消息的接收者可以通过数字签名,使第三方确信签名人的身份及发出消息的事实。当双方就消息发出与否及其内容出现争论时,数字签名就可成为一个有力的证据。

生成签名

一般来说,不直接对消息进行签名,而是对消息的哈希值进行签名,步骤如下。

  1. 对消息进行哈希计算,得到哈希值
  2. 利用私钥对哈希值进行加密,生成签名
  3. 将签名附加在消息后面,一起发送过去

验证签名

  1. 收到消息后,提取消息中的签名
  2. 用公钥对签名进行解密,得到哈希值1。
  3. 对消息中的正文进行哈希计算,得到哈希值2。
  4. 比较哈希值1和哈希值2,如果相同,则验证成功。

3.证书

证书实际上就是对公钥进行数字签名,它是对公钥合法性提供证明的技术。

考虑这样一种场景:我们对签名进行验证时,需要用到公钥。如果公钥也是伪造的,那怎么办?如果公钥是假的,验证数字签名那就无从谈起,根本不可能从数字签名确定对方的合法性。
这时候证书就派上用场了。

证书一般包含:公钥(记住证书中是带有公钥的),公钥的数字签名,公钥拥有者的信息
若证书验证成功,这表示该公钥是合法,可信的。

接下来又有问题了:验证证书中的数字签名需要另一个公钥,那么这个公钥的合法性又该如何保证?该问题可以无限循环下去,岂不是到不了头了?这已经是个社会学问题了。我们为什么把钱存进银行?因为我们相信银行,它是一个可信的机构(虽然也有破产的风险)。跟银行一样,我们需要一个可信的机构来颁发证书和提供公钥,只要是它提供的公钥,我们就相信是合法的。

这种机构称为认证机构(Certification Authority, CA)。CA就是能够认定”公钥确实属于此人”,并能生成公钥的数字签名的组织或机构。CA有国际性组织和政府设立的组织,也有通过提供认证服务来盈利的组织。

如何生成证书?

  1. 服务器将公钥A给CA(公钥是服务器的)
  2. CA用自己的私钥B给公钥A加密,生成数字签名A
  3. CA把公钥A,数字签名A,附加一些服务器信息整合在一起,生成证书,发回给服务器。

注:私钥B是用于加密公钥A的,私钥B和公钥A并不是配对的。

如何验证证书?

  1. 客户端得到证书
  2. 客户端得到证书的公钥B(通过CA或其它途径)
  3. 客户端用公钥B对证书中的数字签名解密,得到哈希值
  4. 客户端对公钥进行哈希值计算
  5. 两个哈希值对比,如果相同,则证书合法。

注:公钥B和上述的私钥B是配对的,分别用于对证书的验证(解密)和生成(加密)。

证书作废

当用户私钥丢失、被盗时,认证机构需要对证书进行作废(revoke)。要作废证书,认证机构需要制作一张证书作废清单(Certificate Revocation List),简称CRL

假设我们有Bob的证书,该证书有合法的认证机构签名,而且在有效期内,但仅凭这些还不能说明该证书一定有效,还需要查询认证机构最新的CRL,并确认该证书是否有效

使用场景

下面用两个使用场景来帮助大家理解证书的作用。

客户端在发送或接收消息之前,要验证服务器的合法性(这个服务器是真实的服务器,还是伪造者,我们不知道)

场景1

  1. 服务器生成公钥和私钥密码对
  2. 服务器把公钥给CA。CA生成证书,发送给客户端
  3. 客户端验证证书,取得公钥:此刻证明公钥是合法的
  4. 客户端用公钥加密消息,发送给服务器
  5. 服务器用私钥解密消息(消息加密发送,具有保密性)

场景2

  1. 服务器生成公钥和私钥密码对
  2. 服务器生成消息,用私钥对消息进行数字签名
  3. 服务器把公钥给CA。CA生成证书
  4. 服务器将消息,数字签名,证书一起发送给客户端
  5. 客户端验证证书,取得公钥:此刻证明公钥是合法的
  6. 客户端用公钥验证数字签名,检查消息的完整性和服务器的合法性

4.参考

Confidentiality, Integrity, Availability: The three components of the CIA Triad

数字签名是什么- 阮一峰的网络日志

数字签名 – MBAlib智库

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