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数字签名、数字证书等技术，是 现代信息安全的核心技术，可谓使用面十分广泛。其基本理论本身并不复杂，本文希望通过深入浅出的介绍，能够让大家有一些基本了解。 对称加密、非对称加密让我们通过一个例子开始：我们的主角分别是Alice和Bob。现在假设 Alice 要给 Bob 发送一份文件，文件内容非常机密。 Alice 不希望文件在发送的过程中被人截取而泄密。 这个时候，自然想到的方法就是对文件进行 加密 。当然除了 加密 外，我们还需要让 Bob 能够 解密 。就像 Alice 对文件上了锁，为了让 Bob 能够解开，则 Bob 必须有钥匙来对文件解锁。在信息安全或密码学中，我们将这种钥匙称为 密钥 。密钥一般分为两种， 对称密钥 与 非对称密钥 ： 对称密钥很容易理解，如同 Alice 用一把钥匙将文件上锁，而 Bob 使用相同的钥匙就可以将文件解锁，即加密使用的密钥与解密使用的密钥是相同的。目前的对称密钥算法有 DES 、 3DES 、 AES、SM1、SM4 等，而密钥则一般是一串固定长度的字符。 如下， Bob 和 Alice 事先已经约定，将使用 DES 算法，并且已经约定好使用的密钥。于是 Alice 使用这份密钥对文件进行了加密，并发送给 Bob 。 Bob 使用相同的密钥对文件解密即可：
对称密钥算法的安全性还是非常有保障的。拿 DES算法 举例 ，到目前为止，除了用 穷举搜索法 对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。而56位长的 密钥 的穷举空间为256，这意味着如果一台计算机的速度是每一秒钟检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间 。而 3DES （3次DES操作）、 AES算法 的 安全性则更高。由此可见，使用对称密钥对文件进行了加密，基本上不用太担心文件可能泄密。
目前大部分的开发语言都有对应的数字加密模块，例如JAVA的JCE模块就可以调用简单的实现加解密。以下是一份JAVA代码例子：
package com.test.chiper; import javax.crypto.Cipher; import javax.crypto.spec.SecretKeySpec; import sun.misc.BASE64Decoder; import sun.misc.BASE64Encoder; public class TestChiper { private static final BASE64Encoder base64En = new sun.misc.BASE64Encoder(); private static final BASE64Decoder base64De = new sun.misc.BASE64Decoder(); private static String AESKey="1234567890123456"; public static String encrypt(String mText) throws Exception { SecretKeySpec secrekeysp = new SecretKeySpec( AESKey.getBytes(),"AES"); java.security.Key key = (java.security.Key) secrekeysp; Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding"); cipher.init(javax.crypto.Cipher.ENCRYPT_MODE, key); byte[] b = cipher.doFinal(mText.getBytes()); return base64En.encode(b); } public static String decrypt(String mText) throws Exception { SecretKeySpec secrekeysp = new SecretKeySpec( AESKey.getBytes(),"AES"); java.security.Key key = (java.security.Key) secrekeysp; Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding"); cipher.init(javax.crypto.Cipher.DECRYPT_MODE, key); byte[] b = cipher.doFinal(base64De.decodeBuffer(mText)); return new String(b); } }
前文提到的对称密钥算法，已经基本满足了 Alice 对于文件 机密性的要求。然而还是存在两个问题： 1、Alice 与 Bob 彼此之间必须约定将使用的密钥，而这个约定的过程本身就可能存在泄密的风险； 2、如果除了 Alice 以外，还有 Jessica 、 Eva 、 Mary 等 100 位女士也需要向 Bob 发送文件。那么， Bob 可能需要有 100 次约定密钥的过程。 由此可见，无论是安全性还是可用性上，对称密钥都是存在问题的。而两个问题则是必须解决的。 1976 年，美国斯坦福大学的研究生 Diffie 和教授 Hellman 发表一个基于非对称密钥加密的想法，这个想法开创了密码学的变革。他们的想法其实非常简单，将密钥分为 公钥（ publicKey ） 和 私钥（ privateKey ） 两种。公钥加密的内容，使用私钥可以解开；而私钥加密的内容，公钥可以解开。然而，单独的知道公钥或私钥，却没有办法推出另一份密钥。 继续我们的例子：仍然是Alice 需要与 Bob 发送一份绝密文件。在此之前， Bob 生成了一对密钥：公钥和私钥。 Bob 将公钥发布在了一个公共的密钥库中，而私钥则不对外公开，仅 Bob 本人持有。如下图所示， Alice 从公钥库中取出 Bob 的公钥，对文件进行加密，再发送给 Bob 。而 Bob 通过自己持有的私钥，即可将文件解密：
通过非对称密钥，Bob 只是将公钥公布，并没有和 Alice 约定密钥。仅仅知道公钥是没有办法推出私钥的，因此不用担心私钥泄密的问题。另一反面，如果有 jessica 也想向 Bob 发送文件，仅需要从公钥库中取到 Bob 的公钥即可，也不需要更多的密钥。 非对称密钥算法很有效的解决了安全性和可用性的问题，非对称密钥算法又称作“公开密钥加密算法”，我们常说的 PKI （ Public Key Infrastructure）则是建立在此技术之上的安全基础体系。目前使用最为广泛的非对称密钥为 RSA 算法，该算法是由三位算法发明者的姓氏开头字母命名而来。 由于非对称加密算法的复杂度更高，因此非对称加密的速度远没有对称加密算法快，甚至可能比对称加密慢上 1000 倍。 常见非对称算法有RSA、ECC、SM2。 信息摘要、数字签名基于上文的非对称密钥算法，我们可以继续我们的场景： 假设有一天， Alice 收到了一份署名为 Bob 的文件。 Alice 希望能够确认这份文件一定是来自 Bob ；另外 Alice 希望能够确信，这份文件在传输过程中并没有被它人篡改。那么基于非对称密钥算法我们应该怎么做？ 确认文件一定来自于 Bob ，其实就是 Bob 无法否认自己发送过这份文件。信息安全中称作 不可抵赖性 ；另一方面，确信文件并没有中途被篡改，则称作 不可篡改性 。 在非对称密钥算法中提到，公钥加密的内容使用私钥可以解密。同样的，基于私钥加密的内容使用公钥也可以解密，两者一一对应。因此我们可以很容易想到。如果 Bob 利用自己手里的私钥对文件进行加密后，传输给 Alice 。 Alice 再通过公钥库中 Bob 的公钥进行解密，则可以证明文件一定是由 Bob 发出（由于只有 Bob 持有私钥）。另外，因为传输的是密文，如果能够使用公钥解密，同时也证明了文件并没有中途被篡改。这样的做法其实已经同时满足了不可抵赖性和不可篡改性。 然而，由于传输的文件可能很大，为了证明文件的不可抵赖性和不可篡改性，需要对整个文件进行加密，由于非对称算法效率较低，这样做的代价太大。因此常规的做法是用到 信息摘要 和 数字签名 的方式。 所谓信息摘要，其实就是某种 HASH 算法。将信息明文转化为固定长度的字符，它具有如下特点： ① 无论输入的消息有多长，计算出来的消息摘要的长度总是固定的 ； ② 用相同的 摘要算法对相同的消息求两次摘要，其结果必然相同； ③ 一般地，只要输入的消息不同，对其进行摘要以后产生的摘要消息也 几乎不可能相同； ④ 消息摘要函数是单向函数，即只能进行正向的信息摘要，而无法从摘要中恢复出任何的消息 ； ⑤ 好的摘要算法，没有人能从中找到 “ 碰撞 ” ，虽然 “ 碰撞 ” 是肯定存在的。即对于给定的一个摘要，不可能找到一条信息使其摘要正好是给定的。或者说，无法找到两条消息，是它们的摘要相同。 一般的，我们将信息的摘要也称作信息的 指纹 。如同指纹的含义，相同的信息一定会得相同的指纹，而仅通过指纹又无法还原出原始信息。目前主要的摘要算法有 MD5 、 SHA1、SHA256、SM3。 当有了信息摘要技术以后，基于 Bob 向 Alice 发送文件的场景，我们可以进行如下的操作：
第一步： ① Bob 将原始的信息进行一次信息摘要算法，得到原始信息的摘要值； ② Bob 使用自己的私钥，对该摘要值进行加密。得到信息摘要的密文； ③ Bob 将原始文件和摘要值的密文一起发送给 Alice 。 ④ 一般的，我们将原始文件和摘要密文称作 Bob 对原始文件的签名结果。
第二步： ① 当Alice 接收到 Bob 传输的信息（原始文件，信息摘要密文）后，使用 Bob 的公钥将摘要密文解密，得到信息摘要明文； ② 使用信息摘要算法，取原文的摘要信息，获取原始文件摘要信息； ③ Alice 比较解密后的摘要信息和取得的摘要信息。如果相同，则可以证明文件一定由 Bob 发送，并且中途并没有经过任何篡改。一般将这个过程称作 验签。 所谓数字签名，就是对原始文件的“指纹”进行了私钥加密。这样，即可保证文件的特征（摘要值）一定经过了私钥的加密。同时由于信息摘要的长度普遍不长（ MD5 为 128 位， SHA1 为160 位，SHA256为256位，SM3为256位），也并没有带来太大的开销。
数字证书基于非对称密钥算法， Bob 生成了一对公私钥。 Bob 将公钥发布在公开的密钥库中。而 Alice 在向 Bob 发送加密文件或者验证 Bob 签名的文件时，均要从公钥库取到 Bob 的公钥。我们已经知道，一般来说公钥就是一段固定长度的字符串，并没有特定的含义。 为了让 Alice 能够方便的辨别公钥，我们可以考虑对给公钥附加一些信息，例如该公钥使用的算法，该公钥的所有者（ 主题 ），该公钥的有效期等一系列属性。这样的数据结构我们称作 PKCS10 数据包  公钥的 主题 我们采用唯一标示符 ( 或称 DN-distinguished name) ，以尽量唯一的标示公钥所有者。以下是基于 抽象语法表示法所定义的 PKCS10 数据结构： CertificationRequestInfo ::= SEQUENCE {
version INTEGER { v1(0) } (v1,...),
subject Name,
subjectPKInfo SubjectPublicKeyInfo{{ PKInfoAlgorithms }},
attributes [0] Attributes{{ CRIAttributes }}
}
SubjectPublicKeyInfo { ALGORITHM : IOSet} ::= SEQUENCE {
algorithm AlgorithmIdentifier {{IOSet}},
subjectPublicKey BIT STRING
}
PKInfoAlgorithms ALGORITHM ::= {
... -- add any locally defined algorithms here -- }
Attributes { ATTRIBUTE:IOSet } ::= SET OF Attribute{{ IOSet }}
CRIAttributes ATTRIBUTE ::= {
... -- add any locally defined attributes here -- }
Attribute { ATTRIBUTE:IOSet } ::= SEQUENCE {
type ATTRIBUTE.&id({IOSet}),
values SET SIZE(1..MAX) OF ATTRIBUTE.&Type({IOSet}{@type})
}我们已经有了 PKCS10 数据包，除了公钥信息外，还有公钥的持有者，公钥的版本号等信息。然而这样的数据结构其实并没有任何权威性。例如有一天一个叫做 Richard 的人想冒充 Bob ，也生成一对公私钥，并且使用了相同的公钥主题封装为 P10 数据结构。 Alice 其实并没有办法分辨哪个是真实 Bob 的公钥。 为了解决这个问题，就需要一个权威的第三方机构，对 P10 结构的数据进行认证。就如同对 P10 文件盖上一个权威的章，防止仿照。这样的权威机构，我们称作 CA (Certificate Authority) 数字证书认证中心 。而 CA 如何为 P10 数据盖章呢？非常简单，就是我们前文已经提到的数字签名技术：
① 如上图所示，CA 机构其实也持有一张私钥。一般来说， CA 会对这份私钥进行特别的保护，严禁泄漏和盗用。 ② Bob 将自己的公钥附加上一系列信息后，形成了 P10 数据包（请求包），并发送给 CA 。 ③ CA 机构通过其他一些手段，例如查看 Bob 的身份信息等方式，认可了 Bob 的身份。于是使用自己的私钥对 P10 请求进行签名。（也可能会先对数据进行一些简单修改，如修改有效期或主题等） ④ 这样的签名结果，我们就称作数字证书。 数字证书同样遵循一个格式标准，我们称作X509标准，我们一般提到的 X509 证书就是如此。以下是 X509 的格式： [Certificate ::= SEQUENCE { tbsCertificate TBSCertificate, signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier, signature BIT STRING } TBSCertificate ::= SEQUENCE { version [0] EXPLICIT Version DEFAULT v1, serialNumber CertificateSerialNumber, signature AlgorithmIdentifier, issuer Name, validity Validity, subject Name, subjectPublicKeyInfo SubjectPublicKeyInfo, issuerUniqueID [1] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL, -- If present, version must be v2or v3 subjectUniqueID [2] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL, -- If present, version must be v2or v3 extensions [3] EXPLICIT Extensions OPTIONAL -- If present, version must be v3 } Version ::= INTEGER { v1(0), v2(1), v3(2) } CertificateSerialNumber ::= INTEGER Validity ::= SEQUENCE { notBefore CertificateValidityDate, notAfter CertificateValidityDate } CertificateValidityDate ::= CHOICE { utcTime UTCTime, generalTime GeneralizedTime } UniqueIdentifier ::= BIT STRING SubjectPublicKeyInfo ::= SEQUENCE { algorithm AlgorithmIdentifier, subjectPublicKey BIT STRING } Extensions ::= SEQUENCE OF Extension Extension ::= SEQUENCE { extnID OBJECT IDENTIFIER, critical BOOLEAN DEFAULT FALSE, extnValue OCTET STRING } 基于数字证书，我们可以再来看看 Bob 如何给 Alice 发送一份不可否认、不可篡改的文件：
第一步： Bob 除了对文件进行签名操作外，同时附加了自己的数字证书。一同发给 Alice 。
第二步： Alice 首先使用 CA 的公钥，对证书进行验证。如果验证成功，提取证书中的公钥，对 Bob 发来的文件进行验签。如果验证成功，则证明文件的不可否认和不可篡改。 可以看到，基于数字证书后， Alice 不在需要一个公钥库维护 Bob （或其他人）的公钥证书，只要持有 CA 的公钥即可。 数字证书在电子商务，电子认证等方面使用非常广泛，就如同计算机世界的身份证，可以证明企业、个人、网站等实体的身份。同时基于数字证书，加密算法的技术也可以支持一些安全交互协议（如 SSL ）。下一篇文章，将为大家介绍 SSL 协议的原理。 |
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