白话数字签名(1)——基本原理(新!) (ZT)

上一篇 / 下一篇 2010-07-29 12:43:54 / 个人分类：安全

摘要

本系列通过通俗易懂的讲解，让您就像读小说一般，轻轻松松就能理解数字签名的基本原理和应用方法（即使您是一个并不精通计算机的企业老总，也能读懂本篇文章）。然后我们再逐步深入技术细节，最后将给出一个在B/S信息系统中使用数字签名的DEMO。

由于数字签名基于非对称加密技术，所以我们需要先啰嗦一下对称加密和非对称加密技术。

对称加密

何谓加密？加密是一种“把数据搞乱掉”的技术。加密技术涉及到4种东东：
明文：可以被人或程序识别的数据。例如一个文本文件、一段歌词、一个Word文档、一首MP3、一个图片文件、一段视频等等。
加密算法：将数据搞乱掉的方法。
密钥（密码）：一个你在进行加密操作时给出的字符串，让加密算法不但把明文“搞乱掉”，而且要乱得“与众不同”。这样即使别人搞到了解密算法，如果没有当初加密时所使用的密码，一样无法进行解密操作。
密文：明文被加密算法和密钥加密后的结果。它看上去就是一堆乱码，没有人或程序能知道它到底表示什么信息。

作为加密的一个实例，我将使用由我杜撰的“景氏替换加密算法”演示一下加密过程。
明文：good good study, day day up.
密钥：google
景氏替换加密算法：将明文中的所有的字母“d”替换成密钥。
密文：将“good good study, day day up.”中的所有字母“d”替换成“google”，就得到密文“googoogle googoogle stugoogley, googleay googleay up.”。这个密文乱得还可以吧？一般人看了肯定不知道它是什么意思。

那么什么是解密呢？解密就是把密文再变回明文的过程。
例如“景氏替换解密算法”就是：将密文中所有与密钥相同的字符串替换成“d”。
密文：googoogle googoogle stugoogley, googleay googleay up.
密钥：google
景氏替换解密算法：将密文中所有与密钥相同的字符串替换成“d”。
明文：将“googoogle googoogle stugoogley, googleay googleay up.”中的所有“google”替换成“d”，就得到了明文“good good study, day day up.”。

您肯定已经注意到了，我们在进行加密和解密时使用的密钥必须是相同的，例如在上例中，加密和解密都必须使用相同的密钥“google”。所以像“景氏替换加密算法”这种就被称为对称加密算法。目前最为流行的对称加密算法是DES和AES，此外，对称加密算法还有IDEA、FEAL、LOKI、Lucifer、RC2、RC4、RC5、Blow fish、GOST、CAST、SAFER、SEAL等。WinRAR的文件加密功能就是使用的AES加密算法。

非对称加密

非对称加密算法是一类与众不同的加密算法，它的密钥不是1个，而是2个（一对），我们先姑且称它们为密钥K1和密钥K2。非对称加密算法的特点是，如果用密钥K1进行加密，则有且仅有密钥K2能进行解密；反之，如果使用密钥K2进行了加密，则有且仅有密钥K1能进行解密。注意“有且仅有”的意思——如果用密钥K1进行了加密，是不能用密钥K1进行解密的；同样，如果用密钥K2进行了加密，也无法用密钥K2进行解密。这是一个非常重要的特性，至于如何在实际中运用这个特性，请看下文。

我想给Clark传送一个AV小电影，又怕被他的老婆发现......

话说俺得了一个很不错的AV小电影，想通过网络传送给Clark，可是又怕被他的老婆发现（因为Clark的老婆是一个超级黑客，她可以使用sniffer技术截获任何通过网线传送给Clark的数据。别跟我说用VPN，它超出了本文讨论的范围），怎么办呢？对了，我们需要一个“将数据搞乱掉”的技术——加密技术。我先使用WinRAR对小电影进行压缩，然后加上密码“TswcbyyqjsjhfL”（还记得么？WinRAR的文件加密功能使用的是叫作AES的对称加密算法）。接着，将这个加密后的文件通过QQ传送给Clark。然后，兴冲冲地拨打Clark的手机：
“喂？Clark么？好久不见，呵呵......我给你发了个好东东呦，在QQ上，收到没？......密码是TswcbyyqjsjhfL，对，就是天生我才必有用，千金散尽还复来的首字母，第一个和最后一个字母要大写呦......”
可是，Clark，我是真的不知道你的老婆大人刚刚就在你的身边呀！而且你也知道，我打电话从来都是喜欢很大声的......呜呜呜......
在Clark跪了一夜的搓衣板之后，我们都明白：如果是已经保存在自己硬盘上的文件，使用对称加密技术进行加密是没有问题的；如果是两个人通过网络传输文件，使用对称加密就很危险——因为在传送密文的同时，还必须传送解密密钥。我们需要一个与众不同的加密算法，一个不需要传递解密密钥的加密算法。非对称加密正好可以满足我们的需要。基本思路是这样的：首先，生成一对满足非对称加密要求的密钥对（密钥K1和密钥K2）。然后，将密钥K1公布在网上，任何人都可以下载它，我们称这个已经公开的密钥K1为公钥；密钥K2自己留着，不让任何人知道，我们称这个只有自己知道的密钥K2为私钥。当我想给Clark传送小电影时，我可以用Clark的公钥对小电影进行加密，之后这个密文就连我也无法解密了。这个世界上只有一个人能将密文解密，这个人就是拥有私钥的Clark。

后来......

后来，Clark痛定思痛，决定申请一个数字证书。流程是这样的：首先，登录当地的数字证书认证中心网站，填表->出示个人有效证件原件和复印件->缴费->等待数字证书认证中心制作数字证书->领取数字证书。如果您的公司需要申请大量的数字证书，还可以与认证中心的销售人员商量，先领取免费的试用版的数字证书供技术人员试用。
后来的后来，我又得到了一本电子版的不良漫画，当然，我又想到了Clark。我先在数字证书认证中心下载了Clark的公钥证书(就是一个含有公钥信息的文件)，使用非对称加密算法对不良漫画进行加密，再将密文通过QQ传送给Clark。然后，我兴冲冲地拨打Clark的手机：
“喂？Clark么？好久不见，呵呵......我给你发了个好东东呦，在QQ上，收到没？......已经用你的公钥加密了。用你的私钥解密就行了^_^”
Clark兴冲冲地插入他的私钥（忘了说了，私钥并不是一个文件，而是一个USB设备，外形就跟U盘一样，至于为什么要这样，下一篇再说），解密，然后开始看漫画，完全没察觉他的老婆大人就在身后......

Clark，俺这个月手头有点紧......

唉，这个月买了太多的书，到月底揭不开锅了。正巧在QQ上遇到了Clark：
1-2-3：“Clark，我需要200两纹银，能否借给我？”
Clark：“没问题。我这就给你转账。请给我一张借条。”
1-2-3：“太谢谢了，我这就用Word写一个借条给你。”
然后，我新建一个Word文档，写好借条，存盘。然后，然后怎么办呢？我不能直接把借条发送给Clark，原因有：
    1. 我无法保证Clark不会在收到借条后将“纹银200两”改为“纹银2000两”。
    2. 如果我赖账，Clark无法证明这个借条就是我写的。
    3. 普通的Word文档不能作为打官司的证据。
好在我早就申请了数字证书。我先用我的私钥对借条进行加密，然后将加密后的密文用QQ发送给Clark。Clark收到了借条的密文后，在数字证书认证中心的网站上下载我的公钥，然后使用我的公钥将密文解密，发现确实写的是“借纹银200两”，Clark就可以把银子放心的借给我了，我也不会担心Clark会篡改我的借条，原因是：
    1. 由于我发给Clark的是密文，Clark无法进行修改。Clark倒是可以修改解密后的借条，但是Clark没有我的私钥，没法模仿我对借条进行加密。这就叫防篡改。
    2. 由于用我的私钥进行加密的借条，有且只有我的公钥可以解密。反过来讲，能用我的公钥解密的借条，一定是使用我的私钥加密的，而只有我才拥有我的私钥，这样Clark就可以证明这个借条就是我写的。这就叫防抵赖。
    3. 如果我一直赖着不还钱，Clark把我告上了法庭，这个用我的私钥加密过的Word文档就可以当作程堂证供。因为我国已经出台了《中华人民共和国电子签名法》，使数字签名具有了法律效力。
您一定已经注意到了，这个使用我的私钥进行了加密的借条，具有了防篡改、防抵赖的特性，并且可以作为程堂证供，就跟我对这个借条进行了“签名”的效果是一样的。对了，“使用我的私钥对借条进行加密”的过程就叫做数字签名。（由于数字签名算法的速度比较慢，所以在实际对文件签名的过程比上面提到的方法稍稍复杂一些，这个在下一篇再讲）。

我是1-2-3，我真的是1-2-3，我是真的1-2-3

正如您已经知道的，Clark的老婆是一名超级黑客——就是传说中能用计算机作任何事的人。这不，不久前她就轻松入侵了QQ数据库，下载了Clark的所有好友的ID和密码以及聊天记录。然后，时不时地伪装成Clark的好友跟Clark聊天，搞得Clark最近总是神经兮兮、疑神疑鬼的。这不，昨天我在QQ上遇到了Clark：
1-2-3：“Clark，最近还好吧？我又搞到一个好东东呦，要不要？”
Clark：“48475bbt556”
Clark并不是疯掉了，那个“48475bbt556”也不是我跟Clark之间的什么通关暗语。这个“48475bbt556”就是Clark在键盘上胡乱敲上去的，不过，我却知道Clark是什么意思。我立刻把“48475bbt556”粘贴到Word里，然后用我的私钥对这个Word文档加密，再将这个Word文档发送给Clark。Clark在那边用我的公钥将Word文档解密，打开，发现里面写的就是“48475bbt556”，就知道QQ这边的确就是真正的我本人了。因为拥有我的私钥的人在这个世界上就只有我一人而已，Clark的老婆大人就是再神通广大也模仿不了，这就是数字签名的验证功能。

顺便提一句，不但人可以申请数字证书，设备（例如Web服务器）也可以申请数字证书（叫作设备证书）。利用数字签名的验证功能，就可以验证服务器的身份了，这可是防钓鱼的终极解决方案呦。

思考题

如果Clark每次都向我发送相同的字符串（例如“1234”），而不是每次在键盘上胡乱地（随机地）敲一些字符，Clark的老婆就会利用Clark的懒惰模仿我跟Clark聊QQ，这是为什么？

本篇到此结束，下一篇将介绍电子签名技术的产品&设备。