摘要、签名与数字证书都是什么?

看完这篇文章,你将会知道:

  1. 摘要、签名、证书是什么;
  2. 摘要、签名、证书的用途和关系;
  3. 签名是怎么生成的;
  4. 签名是怎么校验的;
  5. 证书是怎么生成的;
  6. 证书是怎么校验的。

1. 消息摘要(Digest)

什么是消息摘要?

对一份数据,进行一个单向的 Hash 函数,生成一个固定长度的 Hash 值,这个值就是这份数据的摘要,也称为指纹。

摘要算法

常见的摘要算法有 MD5、SHA-1、SHA-256 等。他们都有这些特点:

  • 对于同一个摘要算法,无论输入的数据是什么,输出都是相同长度的值。
    例如 MD5,无论数据有多大,输出总是128位的散列值。

  • 摘要算法是单向的,只能根据原始数据计算出它的摘要值,但是不能根据摘要值反算出原始数据。

  • 越优秀的摘要算法越难找到Hash碰撞。
    虽然长内容生成短摘要是必定会产生碰撞的,但一个优秀的摘要算法很难主动构造出两条数据,使得他们的摘要值相同。

  • 消息摘要的用途:可以用于校验数据的完整性。
    例如我们在下载文件时,数据源会提供一个文件的MD5。文件下载好之后,我们本地计算出文件的MD5,和数据源提供的MD5做对比,如果相同则文件是完整的。
    但独立使用消息摘要时,无法确保数据没有被篡改,因为无法保证从数据源获取的MD5有没有被中途篡改。

  • 相比加密算法,摘要算法速度都相对较快。


2. 数字签名(Signature)

在了解签名之前,需要了解什么是公开密钥体系:

公开密钥密码体系:
基于大整数的因数分解可以生成一对公钥和私钥。公钥和私钥是一一对应关系,一把私钥有着和它唯一对应的公钥,反之亦然。用公钥加密的数据,只能用和它对应的私钥解密,用私钥加密也只能同与之对应的公钥解密。
密钥对的生成很快速,但根据公钥反推私钥是极其困难的事。

根据公开密钥密码体系,我们有了非对称加密。常见的非对称加密是 RSA 加密。

如果用「公钥」对数据加密,用「私钥」去解密,这是「加密」;
反之用「私钥」对数据加密,用「公钥」去解密,这是「签名」。

简单地看,似乎没有区别,只是换了个名字。但实际上,两者的用途完全不一样。
由于所有人都持有公钥,所以「签名」并不能保证数据的安全性,因为所有人都可以用公钥去解密。
但「签名」却能用于保证消息的准确性和不可否认性。因为公钥和私钥是一一对应的,所以当一个公钥能解密某个密文时,说明这个密文一定来自于私钥持有者

我们来看一下具体签名和验证的过程

  1. 消息发送者持有 私钥 和 加密算法,称为信源;信源用私钥和加密算法对明文数据进行加密,得到密文数据,称为签体;
  2. 接着把明文数据和密文数据同时给到消息接收者;
  3. 消息接收者收到后,先取出密文数据,用公钥对密文解密,得到一份明文数据;
  4. 再将这份明文数据和收到的明文数据做对比,如果相同则数据完整且可信。
签名验证过程.png

即使他人截获并篡改了「明文数据」,由于「私钥」是保密的,篡改者也无法生成正确的「签体」。所以签名能保证消息的准确性。
但在单独使用非对称加密的数字签名方案时,要对所有明文消息进行加密,效率很低。怎么提高效率呢?

更高效的数字签名方案: 将摘要算法和非对称加密结合使用。
如何签名:先用摘要算法计算明文数据的摘要值,再对这个摘要值用私钥加密。这样就能较快速地得到了原始信息的签名;
如何验证:先用相同的摘要算法计算原始信息的摘要值,再用公钥对签名解密,得到收到的摘要值,最后对比这两个摘要值判断是否相等。如果不相等说明数据不可信。

数字签名方案的问题:
数据接收者如何获取正确的公钥呢?如果公钥本身都被篡改了,这个签名方案就不正确了。所以需要有某种方式确保公钥的正确性,这就是数字证书。


3. 数字证书(Certificate)

数字证书的作用:
确保数据接收者的公钥是没有被篡改过的。

数字证书通常包含以下内容:
(1) 证书所有人的公钥;
(2) 证书发行者对证书的数字签名
(3) 证书所用的签名算法;
(4) 证书发布机构、有效期、所有者的信息等其他信息。

数字证书的验证过程需要用到 CA根证书业务相关证书根证书 是预装在操作系统中的。

在理解数字证书工作原理之前,我们需要先理解这两种证书是怎么生成的:

1. CA根证书的生成

CA数字证书的生成过程.png

步骤:

  1. 权威机构利用RSA等算法,生成一对 公钥PK1 / 私钥SK1;
  2. 将 公钥PK1 和 证书发布机构、有效期等信息组成一份原始的证书内容,设为 C1;
  3. 利用某种摘要算法,计算原始内容 C1 的数字摘要,设为 H1;
  4. 用第一步生成的私钥SK1,对摘要H1签名,得到签名内容S1;
  5. 将原始内容C1 和 签名内容S1 合在一起,就得到了证书。

根证书安装在操作系统中,我们认为根证书是一定正确的。

2. 业务相关证书的生成

企业申请证书的过程.png

步骤:

  1. 企业利用RSA等算法,生成一对 公钥PK2 / 私钥SK2;
  2. 将 公钥PK2 和 证书其他内容 组成原始证书内容,设为C2,给到权威机构;
  3. 权威机构拿到 C2 后,利用摘要算法,生成摘要信息 H2;
  4. 权威机构用自己的私钥SK1 (这是关键点),对摘要信息H2 签名,得到签名内容S2;
  5. 将 原始内容C2 和 签名内容S2 合并到一起,得到证书,交给企业。

区别点在于:
业务申请的证书,在签名时用的私钥是CA机构的私钥。这个私钥是和根证书中的公钥对应的。

3. 数字证书的真伪验证
有了根证书,我们就能校验其他证书的真伪了:

证书真伪的验证过程.png

用根证书的公钥,可以验证其他证书的签名是否正确。如果签名正确,则证书是可信的、没有被篡改的。后续就可以使用这个被信任证书中包含的公钥,去验证收到的消息是否可信了。

用CA证书去证明另外一个证书是否可信,我们可以称之为 证书的递归验证。类似地,我们也可以用一个受信任的证书,去验证其他证书是否可信。

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