数字签名算法介绍和区别

旭日_追逐的心 2019-08-19

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数字签名是一个带有密钥的消息摘要算法，这个密钥包括了公钥和私钥，用于验证数据完整性、认证数据来源和抗否认，遵循OSI参考模型、私钥签名和公钥验证。也是非对称加密算法和消息摘要算法的结合体，常见的数字签名算法主要有RSA、DSA、ECDSA三种，本文对数字签名算法进行详细介绍。

Hash又译散列、摘要等名，本文统一称Hash。

1. RSA数字签名算法

RSA是目前计算机密码学中最经典算法，也是目前为止使用最广泛的数字签名算法，RSA数字签名算法的密钥实现与RSA的加密算法是一样的，算法的名称都叫RSA。密钥的产生和转换都是一样的，包括在售的所有SSL数字证书、代码签名证书、文档签名以及邮件签名大多都采用RSA算法进行加密。

RSA数字签名算法主要包括MD和SHA两种算法，例如我们熟知的MD5和SHA-256即是这两种算法中的一类，具体如下表格分布

算法		输出Hash长度	中继Hash长度	数据区块长度	最大输入长度	循环次数	碰撞攻击	性能示例(MiB/s)
MD5		128	128	512	无限^[4]	64	<64 (已碰撞)	335
SHA-0		160	160	512	2⁶⁴ − 1	80	<80 (已碰撞)	-
SHA-1		160	160	512	2⁶⁴ − 1	80	<80 (已碰撞)	192
SHA-2	SHA-224 SHA-256	224 256	256	512	2⁶⁴ − 1	64	112 128	139
SHA-2	SHA-384 SHA-512 SHA-512/224 SHA-512/256	384 512 224 256	512	1024	2¹²⁸ − 1	80	192 256 112 128	154
SHA-3	SHA3-224 SHA3-256 SHA3-384 SHA3-512	224 256 384 512	1600	1152 1088 832 576	无限	24	112 128 192 256	-
SHA-3	SHAKE128 SHAKE256	d (arbitrary) d (arbitrary)	1600	1344 1088	无限	24	min(d/2, 128) min(d/2, 256)	-

1.1. MD2、MD4、MD5算法

最常见的是我们熟知的MD5加密算法，MD5全称Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法 5），目前比较普遍的Hash算法，是散列算法的基础原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。MD5算法法是输入任意长度字符，输出固定长度128位的算法。经过程序流程，生成四个32位数据，最后联合起来成为一个128位Hash值，主要方式是通过求余、取余、调整长度、与链接变量进行循环运算进而得出结果。

1.2. SHA-1算法

SHA-1是由NIST NSA设计为同DSA一起使用的，SHA-1设计时基于和MD4相同原理，并且模仿了该算法，SHA-1抗穷举(brute-force)性更好，它产出160位的Hash值，对于非线性运算、移位和加法运算也与MD5类似。SHA-1也应用于包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec等多种协议中，曾被视为是MD5的后继者。SHA-1的如今已经明确不具备安全性可言了。

在2016年1月1日后基于SHA-1签发的SSL和代码签名的X.509证书已不具备安全性可言，多个操作系统、浏览器都建议将基于SHA-1而签发的证书、代码签名替换至SHA-2的产品，但目前在Windows XP（官方已停更）操作系统上仍然只兼容基于SHA-1算法的SSL和代码签名产品。

就在2017年2月23日Google宣布实现了对SHA-1算法的碰撞破解，所以SHA-1算法已经正式被宣布为不安全的算法，主流厂商对自身产品及安全要求都提升至了SHA-2算法。

1.3. SHA-2算法

SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512并称为SHA-2，发布于2001年，目前比较广泛应用的SSL数字证书和代码签名证书签名算法均采用SHA-256算法，相较于SHA-1算法而言，至今SHA-2算法还未被破解，从某种意义上SHA-2延用了SHA-1算法，所以至少发文时间起是安全的。目前顶级CA和Google、苹果等公司都采用基于SHA-256算法作为SSL证书和代码签名证书的主流签名算法。

1.4. SHA-3算法

SHA-3算法正式发布于2015年，SHA-3并不是要取代SHA-2，因为SHA-2目前并没有出现明显的弱点。由于对MD5、SHA-0和SHA-1出现成功的破解，NIST感觉需要一个与之前算法不同的，可替换的加密Hash算法，也就是现在的 SHA-3。

2. DSA数字签名算法

DSA全称Digital Signature Algorithm，DSA只是一种算法，和RSA不同之处在于它不能用作加密和解密，也不能进行密钥交换，只用于签名，所以它比RSA要快很多，其安全性与RSA相比差不多。DSA的一个重要特点是两个素数公开，这样，当使用别人的p和q时，即使不知道私钥，你也能确认它们是否是随机产生的，还是作了手脚。RSA算法却做不到。

dsa step info

DSA的整个签名算法流程如下：

a. 发送方使用SHA-1和SHA-2编码将发送内容加密产生的数字摘要；
b. 发送方用自己的专用密钥对摘要进行再次加密得到数字签名；
c. 发送方将原文和加密后的摘要传给接收方；
d. 接收方使用发送方提供的密钥对进行解密，同时对收到的内容用SHA-1/SHA-2编码加密产生同样的摘要；
e. 接收方再将解密后的摘要和d步骤中加密产生的摘要进行比对，如果两者一至，则说明传输过程的信息没有被破坏和篡改，否则传输信息则不安全。

3. ECDSA椭圆曲线数字签名算法

ECDSA是用于数字签名，是ECC与DSA的结合，整个签名过程与DSA类似，所不一样的是签名中采取的算法为ECC，最后签名出来的值也是分为r,s。而ECC（全称Elliptic Curves Cryptography）是一种椭圆曲线密码编码学。

ECDH每次用一个固定的DH key，导致不能向前保密（forward secrecy），所以一般都是用ECDHE（ephemeral）或其他版本的ECDH算法。ECDH则是基于ECC的DH（ Diffie-Hellman）密钥交换算法。

ECC与RSA 相比，有以下的优点：

a. 相同密钥长度下，安全性能更高，如160位ECC已经与1024位RSA、DSA有相同的安全强度。
b. 计算量小，处理速度快，在私钥的处理速度上（解密和签名），ECC远比RSA、DSA快得多。
c. 存储空间占用小 ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA、DSA相比要小得多，所以占用的存储空间小得多。
d. 带宽要求低使得ECC具有广泛得应用前景。

下表是ECC和RSA安全性比较

攻破时间(MIPS年)	RSA/DSA(密钥长度)	ECC密钥长度	RSA/ECC密钥长度比
104	512	106	5：1
108	768	132	6：1
1011	1024	160	7：1
1020	2048	210	10：1
1078	21000	600	35：1

下表是RSA和ECC速度比较

功能	Security Builder 1.2 163位ECC(ms)	BSAFE 3.0 1,023位RSA(ms)
密钥对生成	3.8	4,708.3
签名	2.1(ECNRA) 3.0(ECDSA)	228.4
认证	9.9(ECNRA) 10.7(ECDSA)	12.7
Diffie—Hellman密钥交换	7.3	1,654.0