通俗易懂 加密、數字簽名和數字證書

前言

這本是 2020 年一個平平無奇的周末，小北在家里刷着 B 站，看着喜歡的 up 主視頻。

在一旁玩手機的女朋友突然問”你知道數字證書是來干啥的不，為啥瀏覽器提示證書不可信？”

你要說這個，那我可來勁了，於是乎從加密、數字簽名一直講到了數字證書。。。終於把女朋友講睡着了，獨自寫下這篇文章。

正文

如果你能非常清晰的回答出以下問題，可以直接拉到最下面幫我點個贊~，把時間用去陪陪女朋友：

1. 非對稱加密中公私鑰都可以加密，那么什么時候用公鑰加密，什么時候用私鑰“加密” ？

2. 什么是數字簽名，數字簽名的作用是什么？

3. 為什么要對數據的摘要進行簽名，而不是直接計算原始數據的數字簽名？

4. 什么是數字證書，數字證書解決了什么問題？

這篇文章，主要圍繞數字簽名和數字證書的原理以及它們的作用展開。

爭取做到讓不具備任何密碼學基礎知識的同學都能聽懂，所以在這里需要先對齊一些加密相關的概念 。

1. 什么是加密

加密就是對明文數據按某種特殊算法進行處理，使其成為不可讀的一段代碼，通常稱為“密文“， 密文通過”密鑰“解密后還原出原來的明文，通過這樣的途徑可以達到保護數據不被非法人竊取、閱讀的目的。

定義簡單吧？那來看個題，考慮以下哪些屬於加密方法：

• AES
• RSA
• MD5
• BASE64
• SM4

這幾種都是日常開發中常用的數據編碼技術，但是只有 AES、RSA、SM4 才能算是加密方法。

為什么呢？一個區分的簡單方法就是看編碼后的數據是否還能還原，能還原的是加密。

MD5 實際上是對數據進行有損壓縮，無論數據有多長，1KB、1Mb 還是 1G，都會生成固定 128 位的散列值，並且 MD5 理論上是不可能對編碼后的數據進行還原的，即不可逆。

MD5 因為其具有不可逆性、單向恆定性（相同的數據多次計算值不變）被廣泛應用於文件完整性驗證、口令加密以及接下來會講到的數字簽名中。

至於 BASE64 是否算做加密方法，仁者見仁。在這里不下結論，因為 BASE64 編碼不需要密鑰，且編碼后的字符串任何人都可以解碼出原串，所以一般不認為是加密方法。BASE64 常用來做轉碼，把二進制字節序列轉化為 ASCII 字符序列。

2. 加密算法的分類

加密算法按照加解密使用的密鑰是否相同，可分為：

• 對稱加密（Symmetric Cryptography）
• 非對稱加密（Asymmetric Cryptography）

1. 對稱加密

對稱加密是指加密和解密時使用同一個密鑰。

2. 非對稱加密

非對稱加密是指加密和解密使用不同的密鑰，這兩個密鑰分別叫做「公鑰」、「私鑰」。

公鑰是可以公開給所有人的，而私鑰需要自己保密的。

公鑰加密的數據只能用私鑰解密：

同理，私鑰“加密”的數據只能用公鑰“解密”：

大家注意到沒，我對 私鑰“加密” 這里打了引號，為什么呢？

因為私鑰不是用來加密的，准確的說法應該是 「私鑰簽名，公鑰驗簽」。

這個問題很多同學都存在誤解，認為公私鑰都可以用於加密。

實際上不是的，至於為什么，后面講完簽名我會解釋的。

3. 故事開始

為了講這個故事，小北請來了密碼學中常用的學術情侶，Alice 和 Bob，以及竊聽者代表 Eve。

我們從 Alice、Bob 約會的故事展開，來講講其中暗藏着哪些危機，又是如何一步步化解的。

3.1 第一回合

九月，一個夜黑風高的晚上，Bob 想約 Alice 出來玩，於是給 Alice 發了一封郵件：

但我們都知道網絡是不可信的，並且由於消息在網絡中是明文傳輸的，所以黑客可以輕易的截獲、篡改甚至冒充 Bob。

來，我們看看黑客 Eve 是怎么干的：

瞧，Eve 輕易的拿到了郵件內容 （竊聽），並且修改了郵件內容 （篡改），甚至說他可以隨時冒充 Bob 給 Alice 發送郵件 （偽裝）。

如果上圖中 Eve 偽造的內容被 Alice 接收到了，那么后果可想而知。

現實世界中，我們每天都在通過網絡進行聊天、轉賬、瀏覽不存在網站。

如果都是這樣明文傳輸數據，顯然毫無安全感。

3.2 第二回合

既然我們不能明文傳輸，那么 Bob 和 Alice 提前商量好密鑰，使用對稱加密對郵件內容加密不就好了~

現在 Bob 發送的郵件都使用和 Alice 提前商量好的密鑰加密后再傳輸。

由於沒有密鑰，Eve 就算截獲到數據也無法獲取郵件的內容，也沒法篡改和冒充 Bob。

因為篡改后的數據必須使用密鑰再次加密 Alice 才能正確解密。

那么只要 Bob 和 Alice 能夠保證 密鑰不泄露，整個通信就是安全的。

如果密鑰泄露，被中間人截獲，那么就等同於明文通信。

所以我們不能把安全性寄托在人上面。

並且這里也存在一個問題，如果兩個人不能線下見面， 如何在網上安全的交換密鑰呢？

這似乎是無解的，因為交換密鑰的時候我們必須明文通信，不然對方根本看不懂。但是明文交換即意味着可能泄露。

但是別忘了我們的密碼學工具箱里還有一個好東西— 「非對稱加密」。

Bob 和 Alice 各自生成一對公私鑰，因為公鑰本來就是公開的，即可以被任何人獲取，所以可以通過網絡明文交換公鑰。

然后使用公鑰加密郵件內容后發送給對方，接收者使用自己的私鑰即可解密。完美~

3.3 第三回合

來看看，在非對稱加密體系下，Bob 如何給 Alice 發消息的。

首先 Alice 需要先生成一對公私鑰，私鑰只能 Alice 自己知道，公鑰是可以讓任何人都知道的，因此可將公鑰直接發送給 Bob，就算被截獲也無所謂。

Bob 使用 Alice 的公鑰加密郵件內容，加密后的內容只能由 Alice 的私鑰解密，所以就算 Eve 截獲也是徒勞。

反之，如果 Alice 想給 Bob 回信，就需要用 Bob 的公鑰加密后發送。

這就解決了密鑰交換問題，也保證了郵件內容不會泄露。也就是說現在可以防竊聽。

3.4 如何證明 Bob 是 Bob

不知道你注意到沒有，這里也存在另外一個問題：

Eve 也可以使用 Alice 的公鑰冒充 Bob 給 Alice 發郵件啊，因為 Alice 的公鑰本來就是公開的，任何人都可以獲得。

由於 Eve 也可以獲得 Alice 公鑰，所以沒法防止 Eve 偽造和篡改，並且對於 Alice 而言，她無法分辨出郵件到底是 Eve 發的還是 Bob。

所以這個問題的本質就是 「Alice 如何確認郵件來自於 Bob」。

那么在生活中，我們如何做這件事呢？

那就是讓 Bob 在紙上簽名並且按手印，因為指紋和字跡是 Bob 獨有的，其它人很難偽造。

所以我們需要在計算機中引入類似的機制：

即只有 Bob 自己能夠產生的獨一無二的標志，並且其它人能夠驗證這個標志確實是屬於 Bob的。

這就是我們今天要講的主題—「數字簽名」。

還記得什么是 Bob 獨有的嗎？

對，就是 Bob 自己的私鑰，Bob 用自己的私鑰對郵件內容計算一個「簽名」，將「簽名」和郵件內容一起發送出去，接受者 Alice 可以使用 Bob 的公鑰驗證這個簽名是否正確，這就叫「驗簽」。

如果不是 Bob 的私鑰計算的簽名，那么 Alice 用 Bob 公鑰驗簽將會出錯。

可以看到， Eve 試圖使用自己的私鑰計算簽名然后發送給 Alice， 但是 Alice 使用 Bob的公鑰進行驗簽時將會出錯！

那么 Eve 可能篡改內容並冒充 Bob 的簽名嗎？不可能！因為內容發生改變時，對應的簽名也需要重新計算，而簽名的生成依賴於私鑰，只要 Bob 的私鑰不泄露，簽名就不會被冒充。

啊啥？你說萬一私鑰泄露了怎么辦？那就當我沒說…

所以使用數字簽名，我們能夠鑒別消息的發送者，也就是說黑客無法偽裝發送者進行發送數據，也無法篡改。

注意：

可以看出我們這里數據是明文傳輸的，存在竊聽風險。但是我們為了闡述數字簽名機制是如何運轉的，故意將保證信息機密性的機制省略了。

如果想要保證數據的機密性，我們常見的做法是，通信雙方通過非對稱加密安全交換對稱加密的密鑰，后續通信過程的數據都使用對稱加密保證數據機密性。

並且「簽名」的作用本身也不是用來保證數據的機密性，而是用於驗證數據來源的防止數據被篡改的，也就是確認發送者的身份。

一般而言，我們不會直接對數據本身直接計算數字簽名，為什么呢？

因為數字簽名屬於非對稱加密，非對稱加密依賴於復雜的數學運算，包括大數乘法、大數模等等，耗時比較久。

如果數據量大的時候計算數字簽名將會比較耗時，所以一般做法是先將原數據進行 Hash 運算，得到的 Hash 值就叫做「摘要」。

「摘要」就像人的指紋一樣，可以代表一個人，只要內容發生了改變，計算出來的摘要也應該變化。

「摘要」最好是不可逆轉的，一般使用開頭提到的 MD5 作為 Hash 函數，MD5 輸出的結果固定位 128 位。

為什么「摘要」最好是不可逆轉的？

因為既然 Alice 可以用 Bob 公鑰解開簽名，那么理論上其它人，比如 Eve 也可以使用 Bob 公鑰解開簽名拿到數據。

所以我們最好對數據的「摘要」進行簽名，這樣，Eve 就算解開簽名，拿到的也是「摘要」，如果摘要是不可逆轉的，也就是無法從摘要反推出原文，也就達到了保密的作用。

發送者使用私鑰對「摘要」計算數字簽名。那么接收者如何驗證呢？

接受者 Alice 收到后，取下數字簽名，同時用 Bob 的公鑰解密，得到「摘要1」，證明確實是 Bob 發的。

( 畫外音：如果使用 Bob 的公鑰驗證簽名出錯，那么簽名一定不是 Bob 的私鑰生成的）

再對郵件內容使用相同的散列函數計算「摘要2」，與上面得到的「摘要1」進行對比，兩者一致就說明信息未被篡改。

這樣兩步分證明發送者身份和保證數據未被篡改。

3.5 這就夠了嗎？

Bob 和 Alice 現在可以依賴於對稱加密進行保密通信，也可以依賴於數字簽名驗證消息是否是對方發送的。

但是這一切的根基是建立在 Alice 持有的公鑰確實是 Bob的，反之亦然。

什么意思呢？

試想，Eve 如果將自己的公鑰冒充 Bob 發送給 Alice，然后 Alice 保存了下來，那以后凡是 Bob 發送的消息，反而會驗證簽名失敗，被當做冒充者。
那你可能會問，為什么 Eve 可以將自己的公鑰發送給 Alice，而 Alice 毫不知情呢？

看！我們又回到了最初的起點，只不過這次被篡改的是公鑰，之前是消息本身。

因為 Bob 的公鑰是直接通過網絡發送給 Alice的，所以 Eve 才可以在這一步做手腳，進行篡改，將自己的公鑰冒充 Bob 發送給 Alice，也就是發送公鑰這一步沒有做到：

• 防篡改
• 防冒充

防篡改怎么和防冒充怎么實現的呢？

我們前面講了，就是靠數字簽名！ 但是數字簽名需要接受者持有發送者公鑰，才能進行驗簽。

而我們現在處理的是分發公鑰這一步，所以…死鎖了。這像是先有雞還是先有蛋的問題

現在的問題就是「Bob 無法證明它自己是 Bob」。

這個是不是似曾相識，以前去辦事的時候經常被要求出具「我媽是我媽」這類證明。但是我們自己說“我媽就是我媽”，人家根本不會信呀，需要一個可信第三方出具證明，比如派出所。

那么「Alice 如何才能確認 Bob 發送給自己的公鑰確實是 Bob 的，而沒有被篡改？」

在只有 Alice 和 Bob 兩人的情況下是沒法驗證的。

所以，我們這里也需要一個第三方幫 Bob證明 「Bob 的公鑰就是 Bob 的公鑰」，有點繞口令那感覺了~

3.6 數字證書

為了解決這個問題，就引入了「數字證書」，什么叫數字證書呢？

百度百科：

數字證書是指在互聯網通訊中標志通訊各方身份信息的一個數字認證，人們可以在網上用它來識別對方的身份。

因此數字證書又稱為數字標識。數字證書對網絡用戶在交流中的信息和數據等以加密或解密的形式保證了信息和數據的完整性和安全性。

看了這個描述，是不是感覺還是雲里霧里，還是我用大白話來說吧~

只要你理解了前面的數字簽名，就能理解這里的數字證書，因為我把數字證書叫做「公鑰的數字簽名」。

為什么呢？我們引入數字證書的目的是為了保證公鑰不被篡改，即使被篡改了也能識別出來。

而防篡改的方法就是數字簽名，但是這個簽名不能我們自己做，原因說過了，因為我們的公鑰還沒分發出去，別人無法驗證。

所以只能找可信的第三方來幫我們簽名，即證書頒布機構（CA），CA 會將：證書的頒布機構、有效期、公鑰、持有者(subject)等信息用 CA 的私鑰進行簽名。

並且將簽名結果和這些信息放在一起，這就叫做「數字證書」。

這樣，Bob 就可以去 CA 申請一個證書，然后將自己的證書發給 Alice，那么 Alice 如何驗證這個證書確實是 Bob的呢？

當然是使用 CA 的公鑰進行驗簽。

注意：

CA 的公鑰也是需要使用證書來分發的，所以 Alice 的電腦必須安裝 CA 的證書，證書里包含了 CA 的公鑰。

收到 Bob 發過來的數字證書后，Alice 使用 CA 的公鑰進行驗證，驗證通過即證明這確實是 Bob 證書，也就可以使用證書中包含的 Bob 的公鑰，按照之前討論的流程進行通信。

那么 Eve 是否可以在中途篡改 Bob 的證書呢？

答案是不行，因為證書的信息使用 CA 的私鑰進行簽名，只要 Eve 修改了任何一個 Bit 都會導致最后簽名驗證不通過。

那 Eve 可不可以修改證書信息后自己重新計算一次證書的數字簽名呢？

也不行，因為證書的數字簽名計算依賴於 CA 的私鑰，Eve 是拿不到 CA 的私鑰的。

如果拿到了，說明什么？整個世界都是不可信的。

3.7 數字證書長啥樣

這是我電腦中的自帶的證書：

可以看到，包含了證書持有人的公鑰和證書的簽名。

另外，證書頒發機構是有層級關系的，下級 CA 的證書是需要由上級 CA 簽名的。

換句話說一定存在根證書頒發機構，那么他們的證書是由誰簽名的呢？

答案是自簽，自己給自己認證。

這是我電腦中的一個自簽的根證書頒發機構：

為什么根證書可以自簽，誰來保證安全？

你把錢存在銀行，你會擔心嗎？我們基於對國家的信任，才信任銀行，這就是信任鏈的基礎！我們思考問題應該是分層的，如果不認可一個統一的基礎，一直套娃下去，那么問題就無解。

那還有個問題，如何保證根證書的可靠性？
這是操作系統和瀏覽器預裝的，由微軟、蘋果等操作系統廠商來選擇根證書。

3.8 證書不可信？

那么什么情況下瀏覽器會提示 “證書不可信” 呢？

根據我們上面的分析，下面是可能的原因：

1. 證書不是權威 CA 頒發

有些企業為了貪圖便宜使用盜版的證書，沒有經過 CA 認證。也就是無法使用瀏覽器內置 CA 公鑰進行驗證。

2. 證書過期

上面說了，證書里有一項就是有效期，一般就是一年或者兩年的時間。如果證書過期，那么瀏覽器就會提示“證書不可信”

3. 證書部署錯誤

可能是服務器證書部署出錯，比如證書與域名不匹配，因為證書里有一項是持有人信息的。

好了，饒了一大圈，Bob 終於可以安全的向 Alice 發出前往紅樹林的邀請了~

附錄

QA

現在我們來回答文章開頭提出的一些問題：

1. 非對稱加密中公私鑰都可以加密，那么什么時候用公鑰加密，什么時候用私鑰“加密” ？

   • 加密場景，那么肯定希望只有我才能解密，別人只能加密。即公鑰加密，私鑰解密。

   • 簽名場景，既然是簽名，就希望只能我才能簽名，別人只能驗證。即私鑰簽名，公鑰驗簽

2. 什么是數字簽名，數字簽名的作用是什么？

   • 數字簽名就是使用私鑰對數據摘要進行簽名，並附帶和數據一起發送。

   • 可以起到防篡改、防偽裝、防否認的作用。

3. 為什么要對數據的摘要進行簽名，而不是直接計算原始數據的數字簽名？

   • 數據可能比較大，簽名是使用非對稱加密算法，比較耗時
   • 防止第三方使用公鑰解開簽名后，拿到原始數據

4. 什么是數字證書，數字證書存在解決了什么問題？

   • 數字證書就是由 CA 機構使用自己私鑰，對證書申請者的公鑰進行簽名認證。

   • 數字證書解決了如何安全分發公鑰的問題，也奠定了信任鏈的基礎。

絮叨

轉自 https://blog.csdn.net/TheSkyLee/article/details/108699243