什麼是數字簽名和證書？

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2016.09.18 15:50* 字數 1861 閱讀 10630評論 3喜歡 27

公鑰密碼系統是本文的理解基礎。
本文不對公鑰密碼系統做過多描述。若對公鑰密碼不熟悉，可以參考閱讀維基百科－公開金鑰加密

1.資訊保安三要素

資訊保安中有三個需要解決的問題：

1. 保密性(Confidentiality)：資訊在傳輸時不被洩露
2. 完整性（Integrity）：資訊在傳輸時不被篡改
3. 有效性（Availability）：資訊的使用者是合法的

這三要素統稱為CIA Triad。

公鑰密碼解決保密性問題
數字簽名解決完整性問題和有效性問題

2.數字簽名

現實生活中，簽名有什麼作用？在一封信中，文末的簽名是為了表示這封信是簽名者寫的。計算機中，數字簽名也是相同的含義：證明訊息是某個特定的人，而不是隨隨便便一個人傳送的（有效性）；除此之外，數字簽名還能證明訊息沒有被篡改（完整性）。

簡單來說，數字簽名（digital signature）是公鑰密碼的逆應用：用私鑰加密訊息，用公鑰解密訊息。

用私鑰加密的訊息稱為簽名，只有擁有私鑰的使用者可以生成簽名。
用公鑰解密簽名這一步稱為驗證簽名，所有使用者都可以驗證簽名(因為公鑰是公開的)

一旦簽名驗證成功，根據公私鑰數學上的對應關係，就可以知道該訊息是唯一擁有私鑰的使用者傳送的，而不是隨便一個使用者傳送的。

由於私鑰是唯一的，因此數字簽名可以保證傳送者事後不能抵賴對報文的簽名。由此，訊息的接收者可以通過數字簽名，使第三方確信簽名人的身份及發出訊息的事實。當雙方就訊息發出與否及其內容出現爭論時，數字簽名就可成為一個有力的證據。

生成簽名

一般來說，不直接對訊息進行簽名，而是對訊息的雜湊值進行簽名，步驟如下。

1. 對訊息進行雜湊計算，得到雜湊值
2. 利用私鑰對雜湊值進行加密，生成簽名
3. 將簽名附加在訊息後面，一起傳送過去

驗證簽名

1. 收到訊息後，提取訊息中的簽名
2. 用公鑰對簽名進行解密，得到雜湊值1。
3. 對訊息中的正文進行雜湊計算，得到雜湊值2。
4. 比較雜湊值1和雜湊值2，如果相同，則驗證成功。

3.證書

證書實際上就是對公鑰進行數字簽名，它是對公鑰合法性提供證明的技術。

考慮這樣一種場景：我們對簽名進行驗證時，需要用到公鑰。如果公鑰也是偽造的，那怎麼辦？如果公鑰是假的，驗證數字簽名那就無從談起，根本不可能從數字簽名確定對方的合法性。
這時候證書就派上用場了。

證書一般包含：公鑰（記住證書中是帶有公鑰的），公鑰的數字簽名，公鑰擁有者的資訊
若證書驗證成功，這表示該公鑰是合法，可信的。

接下來又有問題了：驗證證書中的數字簽名需要另一個公鑰，那麼這個公鑰的合法性又該如何保證？該問題可以無限迴圈下去，豈不是到不了頭了？這已經是個社會學問題了。我們為什麼把錢存進銀行？因為我們相信銀行，它是一個可信的機構（雖然也有破產的風險）。跟銀行一樣，我們需要一個可信的機構來頒發證書和提供公鑰，只要是它提供的公鑰，我們就相信是合法的。

這種機構稱為認證機構(Certification Authority， CA)。CA就是能夠認定”公鑰確實屬於此人”，並能生成公鑰的數字簽名的組織或機構。CA有國際性組織和政府設立的組織，也有通過提供認證服務來盈利的組織。

如何生成證書？

1. 伺服器將公鑰A給CA（公鑰是伺服器的）
2. CA用自己的私鑰B給公鑰A加密，生成數字簽名A
3. CA把公鑰A，數字簽名A，附加一些伺服器資訊整合在一起，生成證書，發回給伺服器。

注：私鑰B是用於加密公鑰A的，私鑰B和公鑰A並不是配對的。

如何驗證證書？

1. 客戶端得到證書
2. 客戶端得到證書的公鑰B（通過CA或其它途徑）
3. 客戶端用公鑰B對證書中的數字簽名解密，得到雜湊值
4. 客戶端對公鑰進行雜湊值計算
5. 兩個雜湊值對比，如果相同，則證書合法。

注：公鑰B和上述的私鑰B是配對的，分別用於對證書的驗證（解密）和生成（加密）。

證書作廢

當用戶私鑰丟失、被盜時，認證機構需要對證書進行作廢(revoke)。要作廢證書，認證機構需要製作一張證書作廢清單(Certificate Revocation List)，簡稱CRL

假設我們有Bob的證書，該證書有合法的認證機構簽名，而且在有效期內，但僅憑這些還不能說明該證書一定有效，還需要查詢認證機構最新的CRL，並確認該證書是否有效。

使用場景

下面用兩個使用場景來幫助大家理解證書的作用。

客戶端在傳送或接收訊息之前，要驗證伺服器的合法性(這個伺服器是真實的伺服器，還是偽造者，我們不知道)

場景1

1. 伺服器生成公鑰和私鑰密碼對
2. 伺服器把公鑰給CA。CA生成證書，傳送給客戶端
3. 客戶端驗證證書，取得公鑰：此刻證明公鑰是合法的
4. 客戶端用公鑰加密訊息，傳送給伺服器
5. 伺服器用私鑰解密訊息（訊息加密傳送，具有保密性）

場景2

1. 伺服器生成公鑰和私鑰密碼對
2. 伺服器生成訊息，用私鑰對訊息進行數字簽名
3. 伺服器把公鑰給CA。CA生成證書
4. 伺服器將訊息，數字簽名，證書一起傳送給客戶端
5. 客戶端驗證證書，取得公鑰：此刻證明公鑰是合法的
6. 客戶端用公鑰驗證數字簽名，檢查訊息的完整性和伺服器的合法性

4.參考

• Confidentiality, Integrity, Availability: The three components of the CIA Triad
• 數字簽名是什麼- 阮一峰的網路日誌
• 數字簽名 - MBAlib智庫