数字签名/数字证书/对称/非对称加密/CA 等概念明晰
前言
此次不深入源码、不分析原理、只厘清一些易混淆概念及其关联。
本次将从通信演变历史的角度出发,一步步阐述概念及其作用。
通过本篇文章,你将了解到:
1、明文通信
2、密文通信
3、对称加密
4、非对称加密
5、消息摘要
6、数字签名
7、CA与数字证书
8、总结
1、明文通信
大部分时候,咱们交流都是靠嘴对嘴,信息完全暴露在他人的耳朵里。
拉拉家常无关紧要,但要是涉及重要、私密的信息就不能这样子了。
此时可能想到,那我们就说悄悄话吧。
2、密文通信
悄悄话只能是俩人近距离才能实现,若是天各一方怎么才能将信息安全送给对方呢?
大家或多或少地看过谍战片,那会儿卧底如何将信息传给组织呢?答案是通过密码本。
双方约定好用一个密码本,密码本其实是个映射关系:
1、发送方通过密码本将明文信息转为不易被理解的信息,称为密文。
2、接收方接收到密文后,通过密码本映射关系反推出明文。
此时双方通信是经过加密的,我们称为密文通信。第三者想要破解信息,就需要拿到密码本或是破译出密码本映射关系,从而将密文转为明文。
3、对称加密
随着科学技术的发展,人们的交流由书信逐渐过渡为电子通信。
当我们在键盘上敲击一段文字后,这段信息会通过网络发送给对方,怎么保证这段信息不被别人轻易知道呢?
我们想到了加密,双方在传输信息前商量好一个密钥,发送方用密钥将信息进行加密形成密文后再发送,接收方在收到密文后使用之前协商的密钥进行解密。
因为加密明文、解密密文使用同一个密钥,我们称此种加密方式为对称加密方式。
举个简单例子:
小明现在将信息进行对称加密:
1、设定密钥为:X。
2、设定加密算法为:将每个字符+X。
3、假设采用密钥 X=1。
那么将明文hello,每个字符+1,得出如下结果:
hello—>ifmmp
小红拿到密文ifmmp后,她知道密钥X=1,因此她将密文每个字符-1,得出如下结果:
ifmmp—>hello
至此,小明和小红成功进行了交流。
此时小刚想知道小明和小红聊了啥,于是截获了信息:
但是由于小刚拿到的是密文信息:ifmmp。因为不知道密钥,因此无法反推出明文:hello。因此小明和小红的信息交流安全得到了保证。
当然对称加密算法没那么简单,常见的对称加密算法有如下几种:
1、DES(Data Encryption Standard) 数据加密标准,强度比较低,容易被破解,目前使用比较少。
2、3DES(TDEA,Triple Data Encryption Algorithm) 三重数据加密算法,是DES的增强版,对一块数据使用3个不同的密钥加密。
3、AES(Advanced Encryption Standard) 高级加密标准,当前主流的对称加密算法。
4、RC4 流加密算法,由Ron Rivest 大神设计的。
5、Blowfish 块加密算法,由Bruce Schneier 大神设计的。
6、SM4 分组密码算法,由我国设计并由国家密码管理局发布。
似乎使用对称加密就可以解决咱们通信安全问题,但引入了另一个问题:
小明和小红如何约定对称加密的密钥呢?\color{Red}{小明和小红如何约定对称加密的密钥呢?}小明和小红如何约定对称加密的密钥呢?
4、非对称加密
是否有种方式可以光明正大地传递信息呢?
答案是:非对称加密。
1、非对称加密有两个密钥,一个是公钥(public key),另一个是私钥(private key)。
2、用公钥加密后的密文只能由私钥来解密。
3、用私钥加密后的密文只能由公钥来解密。
4、公钥可以公布出来供其他人使用,而私钥却是需要保密,不能被别人获取。
因加密与解密使用的不是同一个密钥,故此种公私钥加密方式称为:非对称加密。
接着来看看小明和小红如何使用非对称加密来实现安全通信。
小明和小红分别生成自己的公私钥:
1、小红将自己的公钥告诉小明。
2、小明使用小红的公钥加密后发送给小红。
3、小红使用自己的私钥来解密,得出明文。
由上可知,用小红的公钥加密的信息只能由小红的私钥解开,只要小红的私钥没有泄漏,那么小明和小红的通信是安全的。
当然了,真正非对称加密算法并没有那么简单,常见的几种非对称加密算法:
1、DSA(Digital Signature Algorithm)是 Schnorr 和 ElGamal 签名算法的变种。
2、ECC(Elliptic Curves Cryptography),椭圆曲线密码编码学。
3、DH算法,一般用于密钥交换。
4、RSA(Ron Rives,Adi Shamir,Leonard Adleman)三位大神一起提出的,命名取姓氏开头字母。RSA 既可以交换密钥,也可以用作数字签名,是流行最广的非对称加密算法。
5、消息摘要
小明和小红的通信真是安全的吗?
此时小刚又来搞事情了:
1、因为小红的公钥是公开的,意味着小刚也能拿到公钥。
2、小刚截获了小明发送给小红的信息,虽然小刚不能解密,但是他可以伪造信息。
3、小刚将伪造好的信息用小红的公钥发送小红。
4、此过程中,小明和小红都不知道小刚的存在,然而小刚背地里暗戳戳地替换了信息。
以上信息表明:
1、即使是密文,信息也容易被伪造。
2、小刚这种行为是中间人攻击(Man-in-the-MiddleAttack MITM)。
小明和小红一合计,想出来了一个办法:
1、小明使用Hash算法将明文进行哈希,生成消息摘要。
2、小明将明文用小红的公钥加密并和消息摘要一起发给小红。
3、小红收到信息后先用私钥解密,解密出来的明文使用Hash算法生成消息摘要,并与小明发过来的消息摘要对比,若是一致则表明消息没被更改。
消息摘要(Message Digest)特点:
1、通过消息摘要算法,将一组不定长的源信息生成定长的目标信息。
2、不同的源信息生成的目标信息不一致。
常见的消息摘要算法:MD5、SHA1。
6、数字签名
虽然采用了消息摘要,但是小刚依然能够自己伪造信息,并生成对应的消息摘要,小红收到后验证摘要是正确的,便认为是小明发的,这种做法还是有漏洞。
在前边用到了小红的公钥、私钥,而没用到小明的公钥、私钥。
在消息摘要的基础上,想办法让小明的公私钥也参与到通信过程中来:
1、小明将公钥告诉小红。
2、小明将消息摘要使用自己的私钥加密并使用小红的公钥加密明文,两者一并发给小红。
3、小红收到信息后先用自己的私钥解密出明文,然后将加密过后的消息摘要使用小明的公钥解密。
4、对比消息摘要是否一致。
与消息摘要过程对比,此时多了一个步骤:
用小明的私钥加密消息摘要。
用私钥加密的信息的过程我们称之为:数字签名
数字签名具有不可抵赖性的特点。根据前面的描述,用私钥加密的信息,只有对应的公钥才能解开。
因此,若是小红使用了小明的公钥解开了密文,那么说明该消息肯定是小明发过来的。反之,小明使用私钥加密后发出去,代表这信息是确认是自己发的,这就是他的签名。
常见的数字签名算法:RSA、DSA、ECDSA。
老规矩,用图来看看小明与小红如何使用数字签名的。
小明发送信息过程:
小红处理信息过程:
由上可知:
数字签名有两个作用:
1、证明消息是某个确定的实体发送的。
2、证明消息是没有被串改。
整个流程小明的公私钥、小红的公私钥都参与了。
因为小刚没有小明的私钥,所以他无法生成小明的数字签名,最终无法通过小红对数字签名的验证。
7、CA与数字证书
这么看来小刚是无能无能为力了?非也!
回顾一下之前说的对称加密的痛点:如何传递对称密钥?
实际上非对称加密也存在问题:如何传递公钥?
可见,无论是对称加密还是非对称加密都需要解决密钥传递问题。
若是小刚伪造了小红的公钥,情况如下:
1、小明在获取小红公钥的时候,被小刚替换为自己的公钥。
2、小明用小刚的公钥(他以为是小明的)对信息进行加密,并用自己的私钥对摘要做数字签名。
3、小刚收到信息后用自己的私钥解密。
4、小刚用小明的公钥加密,并用自己的私钥对摘要进行数字签名。
5、同样的方式,小刚也欺骗了小红。
6、最后,小刚愉快地当着中间人…
因为公钥被伪造了,所以小刚可以为所欲为。
小明如何才能知道自己收到的公钥是小红的呢?
这时候就需要引入权威机构:CA(Certificate Authority) 证书授权中心
有了CA,小红发布公钥的流程变了:
1、小红将自己的公钥提交给CA。
2、CA 确认小红的身份信息,比如组织机构、姓名、城市等。
3、将以上信息和小红的公钥用CA的私钥进行签名生成数字证书。
4、证书返给小红。
用图表示如下:
图上5个步骤,有些同学对第4步不太理解:
小明验证小红的证书,因为证书是CA签过名的,那么需要CA的公钥来解密,那么CA 的公钥又是如何传给小明的?
似乎又回到了原点:如何安全传递公钥的问题。
其实,信任是有起点的。
CA 不仅为他人生成证书,也生成自己的证书,CA 为自己生成的证书里包含了CA的公钥。
CA 的证书在电脑、手机等设备出场的时候就会预置在系统里、浏览器里。
因此,当小明验证小红的证书时,会在系统里寻找能够解开小红证书的CA 公钥,若是找到则说明小明证书的颁发机构是可信任的,既然信任了该证书,那么从证书里取出的公钥,小明也认可是小红的。
至此,小红的公钥就安全地传给了小明,后面就可以愉快地通信了。
系统里找不到对应的证书会有什么影响?大家还记得12306网站刚开始运行的时候,用浏览器访问时浏览器会提醒说该网站不受信任,12306提示用户安装自己的根证书。
这也从侧面说明了,咱们不要轻易更改系统里的证书。
8、总结
对称加密存在密钥传送被泄漏的风险,非对称加密虽然不需要传递私钥,但是需要传递公钥,也存在被中间人攻击的风险。
为此,引入了CA 生产证书解决了非对称加密公钥传递问题。
然后非对称加密速度慢,适合加密数据量少的信息,对称加密速度快,适合加密数据量大的信息。
如何将对称加密与非对称加密结合起来打造一个安全的通信链路,下篇我们将重点分析其中的典型:SSL/TLS 的原理与应用。
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