网络通信分享(一):数字签名,数字证书,https通信,数据加密

网络通信分享(一):数字签名,数字证书,https通信,数据加密


加密算法:

一:对称加密算法

在对称加密算法中,加密使用的密钥和解密使用的密钥是相同的。也就是说,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。这个和上面的公钥密码体制有所不同,公钥密码体制中加密是用公钥,解密使用私钥,而对称加密算法中,加密和解密都是使用同一个密钥,不区分公钥和私钥。

密钥,一般就是一个字符串或数字,在加密或者解密时传递给加密/解密算法。前面在公钥密码体制中说到的公钥、私钥就是密钥,公钥是加密使用的密钥,私钥是解密使用的密钥。


优点:

1:加解密的高速度和使用长密钥时的难破解性。

缺点:

1:用户多的话,密钥管理比较困难

2:安全性不高,容易泄露

常用算法:

DES(Data Encryption Standard):数据加密标准,速度较快,适用于加密大量数据的场合。

3DES(Triple DES):是基于DES,对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密,强度更高。

AES(Advanced Encryption Standard):高级加密标准,是下一代的加密算法标准,速度快,安全级别高;


二:非对称加密算法

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(ps :by flyer 一个公钥对应一个私钥 ),把公钥发布出去给别人使用,自己保留私钥。

优点:

非对称加密体系不要求通信双方事先传递密钥或有任何约定就能完成保密通信,并且密钥管理方便,可实现防止假冒和抵赖,因此,更适合网络通信中的保密通信要求。

主要算法:

RSAElgamal



二:签名,数字证书

签名就是在信息的后面再加上一段内容,可以证明信息没有被修改过,怎么样可以达到这个效果呢?一般是对信息做一个hash计算得到一个hash值,注意,这个过程是不可逆的,也就是说无法通过hash值得出原来的信息内容。在把信息发送出去时,把这个hash值加密后做为一个签名和信息一起发出去。 接收方在收到信息后,会重新计算信息的hash值,并和信息所附带的hash值(解密后)进行对比,如果一致,就说明信息的内容没有被修改过,因为这里hash计算可以保证不同的内容一定会得到不同的hash值,所以只要内容一被修改,根据信息内容计算的hash值就会变化。当然,不怀好意的人也可以修改信息内容的同时也修改hash值,从而让它们可以相匹配,为了防止这种情况,hash值一般都会加密后(也就是签名)再和信息一起发送,以保证这个hash值不被修改。

问:如何解密签名?

答:需要数字证书来帮忙

参考:http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/08/what_is_a_digital_signature.html


问: 数字认证和数字签名是两个不同的东西吗?

 答:是的,数字认证和数字签名很不同。数字认证是用来验证网站的可信度的,而数字签名是用来验证信息的可信度的。

数字签名为对象中的信息创建校验和,这样接收者就可以验证收到的信息有没有被修改。


三: 一个加密通信过程的演化

我们来看一个例子,现在假设“服务器”和“客户”要在网络上通信,并且他们打算使用RSA(参看前面的RSA简介)来对通信进行加密以保证谈话内容的安全。由于是使用RSA这种公钥密码体制,“服务器”需要对外发布公钥(算法不需要公布,RSA的算法大家都知道),自己留着私钥。“客户”通过某些途径拿到了“服务器”发布的公钥,客户并不知道私钥。“客户”具体是通过什么途径获取公钥的,我们后面再来说明,下面看一下双方如何进行保密的通信:


2.1 第一回合:

“客户”->“服务器”:你好

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器

“客户”->“服务器”:????

因为消息是在网络上传输的,有人可以冒充自己是“服务器”来向客户发送信息。例如上面的消息可以被黑客截获如下:

“客户”->“服务器”:你好

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器

“客户”->“黑客”:你好// 黑客在“客户”和“服务器”之间的某个路由器上截获“客户”发给服务器的信息,然后自己冒充“服务器”

“黑客”->“客户”:你好,我是服务器

因此“客户”在接到消息后,并不能肯定这个消息就是由“服务器”发出的,某些“黑客”也可以冒充“服务器”发出这个消息。如何确定信息是由“服务器”发过来的呢?有一个解决方法,因为只有服务器有私钥,所以如果只要能够确认对方有私钥,那么对方就是“服务器”。因此通信过程可以改进为如下:


2.2 第二回合:

“客户”->“服务器”:你好

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器

“客户”->“服务器”:向我证明你就是服务器

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器 {你好,我是服务器}[私钥|RSA]

//注意这里约定一下,{} 表示RSA加密后的内容,[ | ]表示用什么密钥和算法进行加密,后面的示例中都用这种表示方式,例如上面的{你好,我是服务器}[私钥|RSA]就表示用私钥对“你好,我是服务器”进行加密后的结果。

为了向“客户”证明自己是“服务器”, “服务器”把一个字符串用自己的私钥加密,把明文和加密后的密文一起发给“客户”。对于这里的例子来说,就是把字符串“你好,我是服务器”和这个字符串用私钥加密后的内容{你好,我是服务器}[私钥|RSA] 发给客户。

“客户”收到信息后,她用自己持有的公钥解密密文,和明文进行对比,如果一致,说明信息的确是由服务器发过来的。也就是说“客户”把{你好,我是服务器}[私钥|RSA]这个内容用公钥进行解密,然后和“你好,我是服务器”对比。因为由“服务器”用私钥加密后的内容,由并且只能由公钥进行解密,私钥只有“服务器”持有,所以如果解密出来的内容是能够对得上的,那说明信息一定是从“服务器”发过来的。

假设“黑客”想冒充“服务器”:

“黑客”->“客户”:你好,我是服务器

“客户”->“黑客”:向我证明你就是服务器

“黑客”->“客户”:你好,我是服务器 {你好,我是服务器}[???|RSA]//这里黑客无法冒充,因为他不知道私钥,无法用私钥加密某个字符串后发送给客户去验证。

“客户”->“黑客”:????

由于“黑客”没有“服务器”的私钥,因此它发送过去的内容,“客户”是无法通过服务器的公钥解密的,因此可以认定对方是个冒牌货!

到这里为止,“客户”就可以确认“服务器”的身份了,可以放心和“服务器”进行通信,但是这里有一个问题,通信的内容在网络上还是无法保密。为什么无法保密呢?通信过程不是可以用公钥、私钥加密吗?其实用RSA的私钥和公钥是不行的,我们来具体分析下过程,看下面的演示:


2.3 第三回合:

“客户”->“服务器”:你好

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器

“客户”->“服务器”:向我证明你就是服务器

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器 {你好,我是服务器}[私钥|RSA]

“客户”->“服务器”:{我的帐号是aaa,密码是123,把我的余额的信息发给我看看}[公钥|RSA]

“服务器”->“客户”:{你的余额是100元}[私钥|RSA]

注意上面的的信息{你的余额是100元}[私钥],这个是“服务器”用私钥加密后的内容,但是我们之前说了,公钥是发布出去的,因此所有的人都知道公钥,所以除了“客户”,其它的人也可以用公钥对{你的余额是100元}[私钥]进行解密。所以如果“服务器”用私钥加密发给“客户”,这个信息是无法保密的,因为只要有公钥就可以解密这内容。然而“服务器”也不能用公钥对发送的内容进行加密,因为“客户”没有私钥,发送个“客户”也解密不了。

这样问题就又来了,那又如何解决呢?在实际的应用过程,一般是通过引入对称加密来解决这个问题,看下面的演示:


2.4 第四回合:

“客户”->“服务器”:你好

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器

“客户”->“服务器”:向我证明你就是服务器

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器 {你好,我是服务器}[私钥|RSA]

“客户”->“服务器”:{我们后面的通信过程,用对称加密来进行,这里是对称加密算法和密钥}[公钥|RSA]//蓝色字体的部分是对称加密的算法和密钥的具体内容,客户把它们发送给服务器。

“服务器”->“客户”:{OK,收到!}[密钥|对称加密算法]

“客户”->“服务器”:{我的帐号是aaa,密码是123,把我的余额的信息发给我看看}[密钥|对称加密算法]

“服务器”->“客户”:{你的余额是100元}[密钥|对称加密算法]

在上面的通信过程中,“客户”在确认了“服务器”的身份后,“客户”自己选择一个对称加密算法和一个密钥,把这个对称加密算法和密钥一起用公钥加密后发送给“服务器”。注意,由于对称加密算法和密钥是用公钥加密的,就算这个加密后的内容被“黑客”截获了,由于没有私钥,“黑客”也无从知道对称加密算法和密钥的内容。

由于是用公钥加密的,只有私钥能够解密,这样就可以保证只有服务器可以知道对称加密算法和密钥,而其它人不可能知道(这个对称加密算法和密钥是“客户”自己选择的,所以“客户”自己当然知道如何解密加密)。这样“服务器”和“客户”就可以用对称加密算法和密钥来加密通信的内容了。


总结一下,RSA加密算法在这个通信过程中所起到的作用主要有两个:

因为私钥只有“服务器”拥有,因此“客户”可以通过判断对方是否有私钥来判断对方是否是“服务器”。

客户端通过RSA的掩护,安全的和服务器商量好一个对称加密算法和密钥来保证后面通信过程内容的安全。

如果这里您理解了为什么不用RSA去加密通信过程,而是要再确定一个对称加密算法来保证通信过程的安全,那么就说明前面的内容您已经理解了。(如果不清楚,再看下2.3和2.4,如果还是不清楚,那应该是我们说清楚,您可以留言提问。)

到这里,“客户”就可以确认“服务器”的身份,并且双方的通信内容可以进行加密,其他人就算截获了通信内容,也无法解密。的确,好像通信的过程是比较安全了。


但是这里还留有一个问题,在最开始我们就说过,“服务器”要对外发布公钥,那“服务器”如何把公钥发送给“客户”呢?我们第一反应可能会想到以下的两个方法:

a)把公钥放到互联网的某个地方的一个下载地址,事先给“客户”去下载。

b)每次和“客户”开始通信时,“服务器”把公钥发给“客户”。

但是这个两个方法都有一定的问题,

对于a)方法,“客户”无法确定这个下载地址是不是“服务器”发布的,你凭什么就相信这个地址下载的东西就是“服务器”发布的而不是别人伪造的呢,万一下载到一个假的怎么办?另外要所有的“客户”都在通信前事先去下载公钥也很不现实。

对于b)方法,也有问题,因为任何人都可以自己生成一对公钥和私钥,他只要向“客户”发送他自己的私钥就可以冒充“服务器”了。示意如下:

“客户”->“黑客”:你好//黑客截获“客户”发给“服务器”的消息

“黑客”->“客户”:你好,我是服务器,这个是我的公钥//黑客自己生成一对公钥和私钥,把公钥发给“客户”,自己保留私钥

“客户”->“黑客”:向我证明你就是服务器

“黑客”->“客户”:你好,我是服务器 {你好,我是服务器}[黑客自己的私钥|RSA]//客户收到“黑客”用私钥加密的信息后,是可以用“黑客”发给自己的公钥解密的,从而会误认为“黑客”是“服务器”

因此“黑客”只需要自己生成一对公钥和私钥,然后把公钥发送给“客户”,自己保留私钥,这样由于“客户”可以用黑客的公钥解密黑客的私钥加密的内容,“客户”就会相信“黑客”是“服务器”,从而导致了安全问题。这里问题的根源就在于,大家都可以生成公钥、私钥对,无法确认公钥对到底是谁的。 如果能够确定公钥到底是谁的,就不会有这个问题了。例如,如果收到“黑客”冒充“服务器”发过来的公钥,经过某种检查,如果能够发现这个公钥不是“服务器”的就好了。

为了解决这个问题,数字证书出现了,它可以解决我们上面的问题。先大概看下什么是数字证书,一个证书包含下面的具体内容:

证书的发布机构

证书的有效期

公钥

证书所有者(Subject)

签名所使用的算法

指纹以及指纹算法

证书的内容的详细解释会在后面详细解释,这里先只需要搞清楚一点,数字证书可以保证数字证书里的公钥确实是这个证书的所有者(Subject)的,或者证书可以用来确认对方的身份。也就是说,我们拿到一个数字证书,我们可以判断出这个数字证书到底是谁的。至于是如何判断的,后面会在详细讨论数字证书时详细解释。现在把前面的通信过程使用数字证书修改为如下:


2.5 第五回合:

“客户”->“服务器”:你好

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器,这里是我的数字证书//这里用证书代替了公钥

“客户”->“服务器”:向我证明你就是服务器

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器 {你好,我是服务器}[私钥|RSA]

注意,上面第二次通信,“服务器”把自己的证书发给了“客户”,而不是发送公钥。“客户”可以根据证书校验这个证书到底是不是“服务器”的,也就是能校验这个证书的所有者是不是“服务器”,从而确认这个证书中的公钥的确是“服务器”的。后面的过程和以前是一样,“客户”让“服务器”证明自己的身份,“服务器”用私钥加密一段内容连同明文一起发给“客户”,“客户”把加密内容用数字证书中的公钥解密后和明文对比,如果一致,那么对方就确实是“服务器”,然后双方协商一个对称加密来保证通信过程的安全。到这里,整个过程就完整了,我们回顾一下:


2.6 完整过程:

step1: “客户”向服务端发送一个通信请求

“客户”->“服务器”:你好


step2: “服务器”向客户发送自己的数字证书。证书中有一个公钥用来加密信息,私钥由“服务器”持有

“服务器”->“客户”:你好,我是服务器,这里是我的数字证书 


step3: “客户”收到“服务器”的证书后,它会去验证这个数字证书到底是不是“服务器”的,数字证书有没有什么问题,数字证书如果检查没有问题,就说明数字证书中的公钥确实是“服务器”的。检查数字证书后,“客户”会发送一个随机的字符串给“服务器”用私钥去加密,服务器把加密的结果返回给“客户”,“客户”用公钥解密这个返回结果,如果解密结果与之前生成的随机字符串一致,那说明对方确实是私钥的持有者,或者说对方确实是“服务器”。

“客户”->“服务器”:向我证明你就是服务器,这是一个随机字符串//前面的例子中为了方便解释,用的是“你好”等内容,实际情况下一般是随机生成的一个字符串。

“服务器”->“客户”:{一个随机字符串}[私钥|RSA]


step4: 验证“服务器”的身份后,“客户”生成一个对称加密算法和密钥,用于后面的通信的加密和解密。这个对称加密算法和密钥,“客户”会用公钥加密后发送给“服务器”,别人截获了也没用,因为只有“服务器”手中有可以解密的私钥。这样,后面“服务器”和“客户”就都可以用对称加密算法来加密和解密通信内容了。

“服务器”->“客户”:{OK,已经收到你发来的对称加密算法和密钥!有什么可以帮到你的?}[密钥|对称加密算法]

“客户”->“服务器”:{我的帐号是aaa,密码是123,把我的余额的信息发给我看看}[密钥|对称加密算法]

“服务器”->“客户”:{你好,你的余额是100元}[密钥|对称加密算法]

…… //继续其它的通信


2.7 其它问题:

上面的过程已经十分接近HTTPS的真实通信过程了,完全可以按照这个过程去理解HTTPS的工作原理。但是我为了方便解释,上面有些细节没有说到,有兴趣的人可以看下这部分的内容。可以跳过不看,无关紧要。


【问题1】

上面的通信过程中说到,在检查完证书后,“客户”发送 一个随机的字符串给“服务器”去用私钥加密,以便判断对方是否真的持有私钥。但是有一个问题,“黑客”也可以发送一个字符串给“服务器”去加密并且得到加 密后的内容,这样对于“服务器”来说是不安全的,因为黑客可以发送一些简单的有规律的字符串给“服务器”加密,从而寻找加密的规律,有可能威胁到私钥的安 全。所以说,“服务器”随随便便用私钥去加密一个来路不明的字符串并把结果发送给对方是不安全的。

〖解决方法〗

每次收到“客户”发来的要加密的的字符串时,“服务 器”并不是真正的加密这个字符串本身,而是把这个字符串进行一个hash计算,加密这个字符串的hash值(不加密原来的字符串)后发送给“客户”,“客 户”收到后解密这个hash值并自己计算字符串的hash值然后进行对比是否一致。也就是说,“服务器”不直接加密收到的字符串,而是加密这个字符串的一 个hash值,这样就避免了加密那些有规律的字符串,从而降低被破解的机率。“客户”自己发送的字符串,因此它自己可以计算字符串的hash值,然后再把 “服务器”发送过来的加密的hash值和自己计算的进行对比,同样也能确定对方是否是“服务器”。


【问题2】

在双方的通信过程中,“黑客”可以截获发送的加密了的内容,虽然他无法解密这个内容,但是他可以捣乱,例如把信息原封不动的发送多次,扰乱通信过程。

〖解决方法〗

可以给通信的内容加上一个序号或者一个随机的值,如果 “客户”或者“服务器”接收到的信息中有之前出现过的序号或者随机值,那么说明有人在通信过程中重发信息内容进行捣乱,双方会立刻停止通信。有人可能会 问,如果有人一直这么捣乱怎么办?那不是无法通信了? 答案是的确是这样的,例如有人控制了你连接互联网的路由器,他的确可以针对你。但是一些重要的应用,例如军队或者政府的内部网络,它们都不使用我们平时使 用的公网,因此一般人不会破坏到他们的通信。 


【问题3】

在双方的通信过程中,“黑客”除了简单的重复发送截获 的消息之外,还可以修改截获后的密文修改后再发送,因为修改的是密文,虽然不能完全控制消息解密后的内容,但是仍然会破坏解密后的密文。因此发送过程如果 黑客对密文进行了修改,“客户”和“服务器”是无法判断密文是否被修改的。虽然不一定能达到目的,但是“黑客”可以一直这样碰碰运气。

〖解决方法〗

在每次发送信息时,先对信息的内容进行一个hash计 算得出一个hash值,将信息的内容和这个hash值一起加密后发送。接收方在收到后进行解密得到明文的内容和hash值,然后接收方再自己对收到信息内 容做一次hash计算,与收到的hash值进行对比看是否匹配,如果匹配就说明信息在传输过程中没有被修改过。如果不匹配说明中途有人故意对加密数据进行 了修改,立刻中断通话过程后做其它处理。


四:HTTPS

定义:

HTTPS(全称:Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer)

HTTPS其实是有两部分组成:HTTP + SSL / TLS,也就是在HTTP上又加了一层处理加密信息的模块。服务端和客户端的信息传输都会通过TLS进行加密,所以传输的数据都是加密后的数据。具体是如何进行加密,解密,验证的,且看下图。



  1. 客户端发起HTTPS请求

  这个没什么好说的,就是用户在浏览器里输入一个https网址,然后连接到server的443端口。


2. 服务端的配置

  采用HTTPS协议的服务器必须要有一套数字证书,可以自己制作,也可以向组织申请。区别就是自己颁发的证书需要客户端验证通过,才可以继续访问,而使用受信任的公司申请的证书则不会弹出提示页面(startssl就是个不错的选择,有1年的免费服务)。这套证书其实就是一对公钥和私钥。如果对公钥和私钥不太理解,可以想象成一把钥匙和一个锁头,只是全世界只有你一个人有这把钥匙,你可以把锁头给别人,别人可以用这个锁把重要的东西锁起来,然后发给你,因为只有你一个人有这把钥匙,所以只有你才能看到被这把锁锁起来的东西。


3. 传送证书

  这个证书其实就是公钥,只是包含了很多信息,如证书的颁发机构,过期时间等等。


4. 客户端解析证书

  这部分工作是有客户端的TLS来完成的,首先会验证公钥是否有效,比如颁发机构,过期时间等等,如果发现异常,则会弹出一个警告框,提示证书存在问题。如果证书没有问题,那么就生成一个随机值。然后用证书对该随机值进行加密。就好像上面说的,把随机值用锁头锁起来,这样除非有钥匙,不然看不到被锁住的内容。


5. 传送加密信息

  这部分传送的是用证书加密后的随机值,目的就是让服务端得到这个随机值,以后客户端和服务端的通信就可以通过这个随机值来进行加密解密了。


6. 服务段解密信息

  服务端用私钥解密后,得到了客户端传过来的随机值(私钥),然后把内容通过该值进行对称加密。所谓对称加密就是,将信息和私钥通过某种算法混合在一起,这样除非知道私钥,不然无法获取内容,而正好客户端和服务端都知道这个私钥,所以只要加密算法够彪悍,私钥够复杂,数据就够安全。


7. 传输加密后的信息

  这部分信息是服务段用私钥加密后的信息,可以在客户端被还原。


8. 客户端解密信息

  客户端用之前生成的私钥解密服务段传过来的信息,于是获取了解密后的内容。整个过程第三方即使监听到了数据,也束手无策。



解释二:


客户端在使用HTTPS方式与Web服务器通信时有以下几个步骤:

(1)客户使用https的URL访问Web服务器,要求与Web服务器建立SSL连接。

(2)Web服务器收到客户端请求后,会将网站的证书信息(证书中包含公钥)传送一份给客户端。

(3)客户端的浏览器与Web服务器开始协商SSL连接的安全等级,也就是信息加密的等级。

(4)客户端的浏览器根据双方同意的安全等级,建立会话密钥,然后利用网站的公钥将会话密钥加密,并传送给网站。

(5)Web服务器利用自己的私钥解密出会话密钥。

(6)Web服务器利用会话密钥加密与客户端之间的通信。


HTTPS 协议优点,比http强在哪里?

1 内容加密。浏览器到百度服务器的内容都是以加密形式传输,中间者无法直接查看原始内容。

2 身份认证。保证用户访问的是百度服务,即使被 DNS 劫持到了第三方站点,也会提醒用户没有访问百度服务,有可能被劫持

3 数据完整性。防止内容被第三方冒充或者篡改。

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