前言

我们都知道信息在网络中的安全传输，其核心是依托于各种加解密机制，发送方的明文通过加密算法转为密文，再通过网络传输给接收方，接收方再通过解密算法将密文还原为明文。目前应用最广的加解密机制是 对称加密 和 非对称加密。

加密能保证数据以密文的形式在网络中传输，但密钥本质上也是一段明文数据，如果密钥的发放是线下进行的（即数据交换的双方是面对面通过U盘等物理介质交换密钥），那这个过程中的安全性是没有问题的。但绝大多数情况下，密钥必须通过网络发放，因此密钥的发放本身又是另一个信息安全传输的问题，如果这个问题得不到解决，那经由密钥加密过的数据，也只不过是换了种形式在网络上裸奔。

密钥的安全发放，就要依托于数字证书和数字签名技术了，下面详细介绍。

消息摘要 - Message Digest

消息摘要（Message Digest），又称数字摘要（Digital Digest）或数字指纹（Finger Print）。简单来说，消息摘要就是在消息数据上，执行一个单向的Hash函数，生成一个固定长度的Hash值，这个Hash值即是消息摘要。关于这个Hash函数，我们来看看维基百科上的定义（https://en.wikipedia.org/wiki/Cryptographic_hash_function）：

A cryptographic hash function is a special class of hash function that has certain properties which make it suitable for use in cryptography. It is a mathematical algorithm that maps data of arbitrary size to a bit string of a fixed size (a hash function) which is designed to also be a one-way function, that is, a function which is infeasible to invert. The only way to recreate the input data from an ideal cryptographic hash function's output is to attempt a brute-force search of possible inputs to see if they produce a match, or use a rainbow table of matched hashes. Bruce Schneier has called one-way hash functions "the workhorses of modern cryptography".[1] The input data is often called the message, and the output (the hash value or hash) is often called the message digest or simply the digest.

The ideal cryptographic hash function has five main properties:

• it is deterministic so the same message always results in the same hash
• it is quick to compute the hash value for any given message
• it is infeasible to generate a message from its hash value except by trying all possible messages
• a small change to a message should change the hash value so extensively that the new hash value appears uncorrelated with the old hash value
• it is infeasible to find two different messages with the same hash value

Cryptographic hash functions have many information-security applications, notably in digital signatures, message authentication codes (MACs), and other forms of authentication. They can also be used as ordinary hash functions, to index data in hash tables, for fingerprinting, to detect duplicate data or uniquely identify files, and as checksums to detect accidental data corruption. Indeed, in information-security contexts, cryptographic hash values are sometimes called (digital) fingerprints, checksums, or just hash values, even though all these terms stand for more general functions with rather different properties and purposes.

消息摘要.png

A cryptographic hash function (specifically SHA-1) at work. A small change in the input (in the word "over") drastically changes the output (digest). This is the so-called avalanche effect.

上面提到的的加密Hash函数就是消息摘要算法。它有以下特征：

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。例如应用MD5算法摘要的消息有128个比特位，用SHA-1算法摘要的消息最终有160比特位的输出，SHA-1的变体可以产生192比特位和256比特位的消息摘要。一般认为，摘要的最终输出越长，该摘要算法就越安全。
2. 消息摘要看起来是“随机的”。这些比特看上去是胡乱的杂凑在一起的。可以用大量的输入来检验其输出是否相同，一般，不同的输入会有不同的输出，而且输出的摘要消息可以通过随机性检验。但是，一个摘要并不是真正随机的，因为用相同的算法对相同的消息求两次摘要，其结果必然相同；而若是真正随机的，则无论如何都是无法重现的。因此消息摘要是“伪随机的”。
3. 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，甚至根本就找不到任何与原信息相关的信息。当然，可以采用强力攻击的方法，即尝试每一个可能的信息，计算其摘要，看看是否与已有的摘要相同，如果这样做，最终肯定会恢复出摘要的消息。但实际上，要得到的信息可能是无穷个消息之一，所以这种强力攻击几乎是无效的。
4. 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（由于长明文生成短摘要的Hash必然会产生碰撞）。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，使它们的摘要相同。

正是由于以上特点，消息摘要算法被广泛应用在“数字签名”领域，作为对明文的摘要算法。著名的消息摘要算法有RSA公司的MD5算法和SHA-1算法及其大量的变体。

数字签名 - Signature

数字签名方案是一种以电子形式存储消息签名的方法。一个完整的数字签名方案应该由两部分组成：签名算法和验证算法。在讲数字签名之前，我们先简单介绍几个相关知识点：“公钥密码体制”、“对称加密算法”、“非对称加密算法”。

公钥密码体制(public-key cryptography)

公钥密码体制分为三个部分，公钥、私钥、加密解密算法，它的加密解密过程如下：

• 加密：通过加密算法和公钥对内容(或者说明文)进行加密，得到密文。加密过程需要用到公钥。
• 解密：通过解密算法和私钥对密文进行解密，得到明文。解密过程需要用到解密算法和私钥。注意，由公钥加密的内容，只能由私钥进行解密，也就是说，由公钥加密的内容，如果不知道私钥，是无法解密的。

公钥密码体制的公钥和算法都是公开的(这是为什么叫公钥密码体制的原因)，私钥是保密的。大家都可以使用公钥进行加密，但是只有私钥的持有者才能解密。在实际的使用中，有需要的人会生成一对公钥和私钥，把公钥发布出去给别人使用，自己保留私钥。目前使用最广泛的公钥密码体制是RSA密码体制。

对称加密算法(symmetric key algorithms)

在对称加密算法中，加密和解密都是使用的同一个密钥。因此对称加密算法要保证安全性的话，密钥要做好保密，只能让使用的人知道，不能对外公开。

非对称加密算法(asymmetric key algorithms)

在非对称加密算法中，加密使用的密钥和解密使用的密钥是不相同的。前面所说的公钥密码体制就是一种非对称加密算法，他的公钥和是私钥是不能相同的，也就是说加密使用的密钥和解密使用的密钥不同，因此它是一个非对称加密算法。

RSA简介

RSA密码体制是一种公钥密码体制，公钥公开，私钥保密，它的加密解密算法是公开的。 由公钥加密的内容可以并且只能由私钥进行解密，而由私钥加密的内容可以并且只能由公钥进行解密。也就是说，RSA的这一对公钥、私钥都可以用来加密和解密，并且一方加密的内容可以由并且只能由对方进行解密。

• 加密：公钥加密，私钥解密的过程，称为“加密”。因为公钥是公开的，任何公钥持有者都可以将想要发送给私钥持有者的信息进行加密后发送，而这个信息只有私钥持有者才能解密。
• 签名：私钥加密，公钥解密的过程，称为“签名”。它和加密有什么区别呢？因为公钥是公开的，所以任何持有公钥的人都能解密私钥加密过的密文，所以这个过程并不能保证消息的安全性，但是它却能保证消息来源的准确性和不可否认性，也就是说，如果使用公钥能正常解密某一个密文，那么就能证明这段密文一定是由私钥持有者发布的，而不是其他第三方发布的，并且私钥持有者不能否认他曾经发布过该消息。故此将该过程称为“签名”。

数字签名

事实上，任何一个公钥密码体制都可以单独地作为一种数字签名方案使用。如RSA作为数字签名方案使用时，可以定义如下：

这种签名实际上就是用信源的私钥加密消息，加密后的消息即成了签体；而用对应的公钥进行验证，若公钥解密后的消息与原来的消息相同，则消息是完整的，否则消息不完整。它正好和公钥密码用于消息保密是相反的过程。因为只有信源才拥有自己地私钥，别人无法重新加密源消息，所以即使有人截获且更改了源消息，也无法重新生成签体，因为只有用信源的私钥才能形成正确地签体。同样信宿只要验证用信源的公钥解密的消息是否与明文消息相同，就可以知道消息是否被更改过，而且可以认证消息是否是确实来自意定的信源，还可以使信源不能否认曾经发送的消息。所以这样可以完成数字签名的功能。

但这种方案过于单纯，它仅可以保证消息的完整性，而无法确保消息的保密性。而且这种方案要对所有的消息进行加密操作，这在消息的长度比较大时，效率是非常低的，主要原因在于公钥体制的加解密过程的低效性。所以这种方案一般不可取。

几乎所有的数字签名方案都要和快速高效的摘要算法（Hash函数）一起使用，当公钥算法与摘要算法结合起来使用时，便构成了一种有效地数字签名方案。

这个过程是：

1. 用摘要算法对消息进行摘要。
2. 再把摘要值用信源的私钥加密。

通过以上两步得到的消息就是所谓的原始信息的数字签名，发送者需要将原始信息和数字签名一同发送给接收者。而接收者在接收到原始信息和数字签名后，通过以下3步验证消息的真伪：

1. 先把接收到的原始消息用同样的摘要算法摘要，形成“准签体”。
2. 对附加上的那段数字签名，使用预先得到的公钥解密。
3. 比较前两步所得到的两段消息是否一致。如果一致，则表明消息确实是期望的发送者发的，且内容没有被篡改过；相反，如果不一致，则表明传送的过程中一定出了问题，消息不可信。

这种方法使公钥加密只对消息摘要进行操作，因为一种摘要算法的摘要消息长度是固定的，而且都比较“短”（相对于消息而言），正好符合公钥加密的要求。这样效率得到了提高，而其安全性也并未因为使用摘要算法而减弱。

综上所述，数字签名是非对称加密技术 + 消息摘要技术的结合。

数字证书 - Certificate

通过数字签名技术，确实可以解决可靠通信的问题。一旦验签通过，接收者就能确信该消息是期望的发送者发送的，而发送者也不能否认曾经发送过该消息。大家有没有注意到，前面讲的数字签名方法，有一个前提，就是消息的接收者必须事先得到正确的公钥。如果一开始公钥就被别人篡改了，那坏人就会被你当成好人，而真正的消息发送者给你发的消息会被你视作无效的。而且，很多时候根本就不具备事先沟通公钥的信息通道。那么如何保证公钥的安全可信呢？这就要靠数字证书来解决了。

数字证书是一个经证书授权（Certificate Authentication）中心数字签名的包含公钥拥有者信息以及公钥的文件。数字证书的格式普遍采用的是X.509V3国际标准，一个标准的X.509数字证书通常包含以下内容：

• 证书的发布机构（Issuer）
  • 该证书是由哪个机构（CA中心）颁发的。
• 证书的有效期（Validity）
  • 证书的有效期，或者说使用期限。过了该日期，证书就失效了。
• 证书所有人的公钥（Public-Key）
  • 该证书所有人想要公布出去的公钥。
• 证书所有人的名称（Subject）
  • 这个证书是发给谁的，或者说证书的所有者，一般是某个人或者某个公司名称、机构的名称、公司网站的网址等。
• 证书所使用的签名算法（Signature algorithm）
  • 这个数字证书的数字签名所使用的加密算法，这样就可以使用证书发布机构的证书里面的公钥，根据这个算法对指纹进行解密。
• 证书发行者对证书的数字签名（Thumbprint）
  • 也就是该数字证书的指纹，用于保证数字证书的完整性，确保证书没有被修改过。其原理就是在发布证书时，CA机构会根据签名算法（Signature algorithm）对整个证书计算其hash值（指纹）并和证书放在一起，使用者打开证书时，自己也根据签名算法计算一下证书的hash值（指纹），如果和证书中记录的指纹对的上，就说明证书没有被修改过。

可以看出，数字证书本身也用到了数字签名技术，只不过签名的内容是整个证书（里面包含了证书所有者的公钥以及其他一些内容）。与普通数字签名不同的是，数字证书的签名者不是随随便便一个普通机构，而是CA机构。这就好像你的大学毕业证书上签名的一般都是德高望重的校长一样。一般来说，这些CA机构的根证书已经在设备出厂前预先安装到了你的设备上了。所以，数字证书可以保证证书里的公钥确实是这个证书所有者的，或者证书可以用来确认对方的身份。可见，数字证书主要是用来解决公钥的安全发放问题。

综上所述，总结一下，数字签名和签名验证的大体流程如下图所示：

数字签名和验签.png