数字签名与数字证书技术简介

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数字签名与数字证书技术简介

小步2013 2018-02-04 16:44:00 浏览677
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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DES3DESAES等,而密钥则一般是一串固定长度的字符。

如下,BobAlice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BobBob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:


 [java] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

  1. package com.test.chiper;  
  2.   
  3. import javax.crypto.Cipher;  
  4. import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;  
  5.   
  6. import sun.misc.BASE64Decoder;  
  7. import sun.misc.BASE64Encoder;  
  8.   
  9. public class TestChiper {  
  10.     private static final BASE64Encoder base64En = new sun.misc.BASE64Encoder();  
  11.     private static final BASE64Decoder base64De = new sun.misc.BASE64Decoder();  
  12.     private static String AESKey="1234567890123456";  
  13.       
  14.     public static String encrypt(String mText) throws Exception {  
  15.         SecretKeySpec secrekeysp = new SecretKeySpec(  
  16.                 AESKey.getBytes(),"AES");  
  17.         java.security.Key key = (java.security.Key) secrekeysp;  
  18.         Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");  
  19.         cipher.init(javax.crypto.Cipher.ENCRYPT_MODE, key);  
  20.         byte[] b = cipher.doFinal(mText.getBytes());  
  21.         return base64En.encode(b);  
  22.     }  
  23.     public static String decrypt(String mText) throws Exception {  
  24.         SecretKeySpec secrekeysp = new SecretKeySpec(  
  25.                 AESKey.getBytes(),"AES");  
  26.         java.security.Key key = (java.security.Key) secrekeysp;  
  27.         Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");  
  28.         cipher.init(javax.crypto.Cipher.DECRYPT_MODE, key);  
  29.         byte[] b = cipher.doFinal(base64De.decodeBuffer(mText));  
  30.         return new String(b);  
  31.     }  
  32.   }

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、AliceBob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JessicaEvaMary100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PKIPublic 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。

 

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AliceAlice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:

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

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;

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;

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

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MD5SHA1

 当有了信息摘要技术以后,基于BobAlice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(MD5128位,SHA1主要为256位),也并没有带来太大的开销。

如同对称密钥算法,在大部分开发语言中,基于非对称算法的数字签名,数字加密算法。也都进行了一定的封装。如下链接就比较详细的描述了基于JCE如何实现数字签名、加密、验证等:

http://blog.csdn.net/centralperk/article/details/8538697

  

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:

  1. CertificationRequestInfo ::= SEQUENCE {    
  2.         version          INTEGER { v1(0) } (v1,...),   
  3.         subject          Name,    
  4.         subjectPKInfo  SubjectPublicKeyInfo{{ PKInfoAlgorithms }},    
  5.         attributes       [0] Attributes{{ CRIAttributes }}    
  6.         }    
  7.     SubjectPublicKeyInfo { ALGORITHM : IOSet} ::= SEQUENCE {    
  8.         algorithm     AlgorithmIdentifier {{IOSet}},   
  9.         subjectPublicKey  BIT STRING    
  10.         }    
  11.   
  12.     PKInfoAlgorithms ALGORITHM ::= {     
  13.         ...  -- add any locally defined algorithms here -- }    
  14.       
  15.     Attributes { ATTRIBUTE:IOSet } ::= SET OF Attribute{{ IOSet }}     
  16.       
  17.     CRIAttributes  ATTRIBUTE  ::= {    
  18.         ... -- add any locally defined attributes here -- }    
  19.   
  20.     Attribute { ATTRIBUTE:IOSet } ::= SEQUENCE {    
  21.         type    ATTRIBUTE.&id({IOSet}),    
  22.         values  SET SIZE(1..MAX) OF ATTRIBUTE.&Type({IOSet}{@type})   
  23.     }   

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:

 [plain] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

  1. [Certificate ::= SEQUENCE {  
  2.     tbsCertificate TBSCertificate,  
  3.     signatureAlgorithm AlgorithmIdentifier,  
  4.     signature BIT STRING  
  5. }  
  6.   
  7. TBSCertificate ::= SEQUENCE {  
  8.     version [0] EXPLICIT Version DEFAULT v1,  
  9.     serialNumber CertificateSerialNumber,  
  10.     signature AlgorithmIdentifier,  
  11.     issuer Name,  
  12.     validity Validity,  
  13.     subject Name,  
  14.     subjectPublicKeyInfo SubjectPublicKeyInfo,  
  15.     issuerUniqueID [1] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL,  
  16.     -- If present, version must be v2or v3  
  17.     subjectUniqueID [2] IMPLICIT UniqueIdentifier OPTIONAL,  
  18.     -- If present, version must be v2or v3  
  19.     extensions [3] EXPLICIT Extensions OPTIONAL  
  20.     -- If present, version must be v3  
  21.     }  
  22. Version ::= INTEGER {  
  23.     v1(0), v2(1), v3(2)  
  24. }  
  25.   
  26. CertificateSerialNumber ::= INTEGER  
  27.     Validity ::= SEQUENCE {  
  28.     notBefore CertificateValidityDate,  
  29.     notAfter CertificateValidityDate  
  30. }  
  31.   
  32. CertificateValidityDate ::= CHOICE {  
  33.     utcTime UTCTime,  
  34.     generalTime GeneralizedTime  
  35. }  
  36.   
  37. UniqueIdentifier ::= BIT STRING  
  38.     SubjectPublicKeyInfo ::= SEQUENCE {  
  39.     algorithm AlgorithmIdentifier,  
  40.     subjectPublicKey BIT STRING  
  41. }  
  42.   
  43. Extensions ::= SEQUENCE OF Extension  
  44. Extension ::= SEQUENCE {  
  45.     extnID OBJECT IDENTIFIER,  
  46.     critical BOOLEAN DEFAULT FALSE,  
  47.     extnValue OCTET STRING  
  48. }  


 

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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