數字簽名與數字證書的原理

在了解數字簽名和數字證書之前，可以先了解一下加密算法的一些常見分類，我之前寫了一篇介紹常見加密算法的文章。https://www.cnblogs.com/mysticbinary/p/12615063.html

將軍與士兵通信 —- 數字簽名原理

為了用最簡單的方式來講解數字簽名，我下面模擬幾個在軍事角色來講解，加密算法的起源就是為了戰爭服務的。下面的實驗演示使用一個在線網站：http://tool.chacuo.net/cryptrsapubkey

假設有一個德國將軍和一個德國士兵需要通信，那麼他們為了安全考慮，決定採用RSA非對稱加密算法。

將軍拿私鑰、士兵拿公鑰

將軍拿着私鑰：

-----BEGIN PRIVATE KEY-----  MIICdwIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCAmEwggJdAgEAAoGBAOFLM8+cWfjWJrP6  3i0jiRtpc240U6wjyEV4Ji2XA8UpFsRMdsFLXRsy9Rs5YsW1GBlXcv3bgZD2itui  YSYnWdbJpI7yIFtkDKJZQ/k8kmH9v2QePUwzAbvXZsZ9hg92ORGms2nNT3DhQHNQ  wopSgdThz8Ztvhd4Er0s1M9ZAvhjAgMBAAECgYEAxwNLTUXsJGfn4Gzm/jC52MEZ  +mu2zgT90IAGGZeg+PUG63gwHyeXo4MsCVRz7/m8xAX/ykew+IEQwFt8Pdvc+rrs  5yml4gOBPfhpau5QaI75xNjnyH7UA3mbRCZeyZrvuKqtY/f8pCgzy3EBWnRpkcsq  eE6bsOQrD45mltr+0QECQQDynvhKEh+hD5xBpF/DIP8Fp6fizexHdA6+aZT/gLaF  A4XgZ9HEDDBhvNdadyYUNOLWhkxRHv6CkT5azfLXsJEhAkEA7begtbBCDXDf1+DR  h3j2S8zcv6+utYgcpjvxZqjbPi6UIWXLxI80PIwQ0uouHCUMjikBA6VX9vTbw9TZ  /IelAwJBAKI3W7baiz86mrTg3A4w/5GeWQexuurDVCBHo5F5U493nYk+oOe9ZpPS  mQIpa9JS0d+xB1GtsWlHBzPbQySnL0ECQA/btCjqvT1QTl6EbPXwp92eqQtQmQMb  NW4RiaUjlpyrVs5zkAho1T9EyMqJPNI71n6VVa/8k8WxyAdkZ7ZlBikCQEkNe1+s  AKnh+AFGCJ+6WAq1J2RuIgcA6bVL3ip7F2NHdE+N+tR9JqWw3JNCweWmAlzKIGs6  eKSVD5egzKaLXss=  -----END PRIVATE KEY-----

士兵拿着公鑰：

-----BEGIN PUBLIC KEY-----  MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDhSzPPnFn41iaz+t4tI4kbaXNu  NFOsI8hFeCYtlwPFKRbETHbBS10bMvUbOWLFtRgZV3L924GQ9orbomEmJ1nWyaSO  8iBbZAyiWUP5PJJh/b9kHj1MMwG712bGfYYPdjkRprNpzU9w4UBzUMKKUoHU4c/G  bb4XeBK9LNTPWQL4YwIDAQAB  -----END PUBLIC KEY-----

士兵給將軍寫信的過程

  1. I am soldier.就是士兵想要加密的文本；
  2. 用公鑰加密文本，得到密文（如下）
l05JLkFyAY5W2AHnrufbPqPCU7VhfFmarBzLUgc/hIIdVVRZ2DUfCPACRUNmIhLWijaXYjHPvnD3QwxNmG4LynggWzDur2Ssj8Ng1EqmPEFA5ujlwUvZeqOENs/PnamTqrxlStxW2MOJZLUbxRsilIcK4807XBRYUThpsmUxZmU=
  1. 將這個密文通過郵件的方式發送給將軍；

過程如下圖：

將軍收到密文解密的過程

只要將軍不把私鑰泄露出去，那這個密文就是安全的，即使英國佬攔截到了這個密文，也破譯不了，只能看到一堆亂碼。

  1. 將軍收到密文；
  2. 將軍使用私鑰來解密密文，得到信本身的內容；

過程如下圖：

將軍給士兵寫信的過程

  1. I am general.是將軍寫的文本；

  2. 用hash的方式，hash一下I am general.
    得到hash文：5244FAC4DB90120F1D833C687E0317FF , 這個hash文叫做摘要（digest）；
    如下圖：

  3. 使用私鑰加密這個摘要，得到一段密文，這個叫數字簽名（signature）；

EtWBVFsxMeP1TMHwGLPdCy9fzmon09b7YGqfcKFNS7F4Db9iFSVKC6gABxuqL59eV6Fm/3hPXZ2NQ+4eq/rY57GiT0kMP4e86gFmUSLwJNHQyuue2zIJrrhLp7/CyVGjKFIyM0KLr+NERt2bv4t5ZkbIJLuN+QLNZUV6WCFugHQ=

如下圖：

  1. 將軍將I am general.文本和數字簽名一起通過郵件的方式發送給士兵；

士兵接收將軍信的過程

  1. 士兵用公鑰解密這個數字簽名, 得到摘要5244FAC4DB90120F1D833C687E0317FF ；
    如下圖：

  2. 拿到I am general.文本使用hash加密，得到5244FAC4DB90120F1D833C687E0317FF hash密文

  3. 士兵通過對比摘要和hash密文是否一致，就能確認是將軍發送的，並且沒有被篡改。

這樣就防止了英國佬攔截了將軍的信，並作修改。

簽名的使用場景

  • 需要加密傳輸的數據
  • Android簽名
  • 客戶端與服務端之間的通信

簽名的安全風險

  1. 如果使用的是對稱加密算法，那麼不管是客戶端還是服務端泄露了密鑰就非常危險了。
  2. 使用了非對稱，但是將密鑰參與了傳輸，並泄露，那真是666了。
  3. 服務端的密鑰寫死在代碼，而不是採用訪問接口獲取的方式，會導致離職的程序員帶走密鑰。
  4. 如果多個客戶端之間的公鑰證書被篡改，那麼也意味着身份認證也被篡改了。

為什麼需要數字證書

為什麼需要數字證書

數字證書就是用來解決4. 如果多個客戶端之間的公鑰證書被篡改，那麼也意味着身份認證也被篡改了。安全風險的第四條，防止客戶端的公鑰被篡改。

英國佬氣急敗壞，想出對策，既然將軍不好搞，那就搞士兵，就派出英國美女間諜，美女間諜誘騙德國士兵後，偷偷使用了德國士兵的電腦，用自己的公鑰替換了士兵電腦里的公鑰。此時，士兵本地存儲的是英國間諜的公鑰，士兵還以為這是將軍的公鑰。因此，英國佬就可以冒充德國將軍，用自己的私鑰做成"數字簽名"，寫信給士兵，讓德國士兵用假的將軍公鑰進行解密，最後得到假信。

數字證書是什麼

德國士兵得到了幾次假信之後，也覺得不對勁了，但是自己又無法確定公鑰是否是將軍的真公鑰。士兵就想到了一個辦法，要求德國將軍去找德意志情報中心（證書中心 certificate authority，簡稱CA），為公鑰做認證。德意志情報中心（CA）用自己的私鑰，對將軍的公鑰和一些相關信息一起加密，生成"數字證書"（Digital Certificate）。

將軍拿到了德意志情報中心（證書中心 certificate authority，簡稱CA）的數字證書以後，就可以放心了。以後再給士兵寫信，除了加上數字簽名，再附上數字證書就行了。

士兵收信後，先去用德意志情報中心的公告板查看CA證書的真偽性，確認之後，就可以用CA的公鑰解開數字證書，就可以拿到將軍的真實的公鑰了，然後就能證明"數字簽名"是否真的是將軍簽的。

Https原理

系統和瀏覽會存儲着CA機構的根證書，然後通過對比服務端發送過來的證書的過程（這裡不展開講），來保證數據不被中間人篡改。

數字證書的應用場景

  • Https
  • 使用非對稱加密，又怕客戶端的公鑰被劫持的場景

參考

http://www.youdzone.com/signature.html
https://www.ruanyifeng.com/blog/2011/08/what_is_a_digital_signature.html

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