数字签名（digital signature）技术介绍

本文主要介绍数字签名（digital signature）的相关知识。

1 概述

1.1 what

数字签名（又称公钥数字签名、电子签章）是一种类似写在纸上的、普通的物理签名，只不过数字签名使用了公钥加密领域的技术实现，数字签名属于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算：一个运算用于签名，另一个运算用于验证签名（验签）。

数字签名，就是只有信息的发送者才能产生的、别人无法伪造的一段数字串，这段数字串是对信息的发送者所发送信息真实性的一个有效证明。

数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。

数字签名文件的完整性是很容易验证的（不需要骑缝章，骑缝签名，也不需要笔迹专家），而且数字签名具有不可抵赖性（不需要笔迹专家来验证）。

简单地说，所谓数字签名，就是附加在数据单元上的一些数据，或者是对数据单元所做的密码变换，通过使用这些数据或变换，数据单元的接收者能够确认数据单元的来源、数据单元的完整性，并且（这些数据或变换）保护数据、防止被人（例如接收者）进行伪造。

数字签名是对电子形式的消息进行签名的一种方法，一个签名消息能在一个通信网络中传输。

尽管基于公钥密码体制和私钥密码体制都可以获得数字签名，不过目前主要是基于公钥密码体制的数字签名。

2.2 应用场景

数字签名技术的应用场景较多，在此介绍几种常见的应用场景。

2.2.1 应用场景1

通过使用数字签名技术，将摘要信息（数字摘要是将任意长度的消息变成固定长度的短消息，这里描述的是对原文使用 HASH 函数生成的一个摘要信息）使用发送者的私钥加密，与原文一起发送给接收者。接收者只有用发送者的公钥才能解密被加密的摘要信息，然后用 HASH 函数对收到的原文产生一个摘要信息，与解密的摘要信息对比：如果对比结果相同，则说明收到的信息是完整的、在传输过程中没有被修改；否则，则说明信息被修改过，所以说数字签名能够验证信息的完整性。

数字签名是个加密的过程，数字签名验证（验签）是个解密的过程。

2.3 作用

数字签名的作用是：保证信息传输的完整性、进行信息发送者的身份认证、防止交易中的抵赖发生。

 

2 示例

 

2.1 示例1

继承前文非对称加密算法文章：为了确保通信中的一方得到的公钥 K2 确实是通信另一方发布的公钥 K2 ，而不是中间人mim伪造的公钥 K2 ，数字签名技术应运而生。

本示例中将通过示例演示的方式，介绍数字签名的相关知识。

2.1.1 使用数字签名生成CRT

1. 小红把自己的公钥 K2 和 ID（身份证号码，或者域名）合为身份证申请（certificate signing request，CSR），如下：

小红的CSR = 小红公钥K2 + 小红域名

2. 小红把自己的CSR发给一个德高望重的人（被称为 certificate authority，CA），比如小亮；

3. 小亮用自己的私钥K1加密小红的CSR，得到的密文被称为数字签名（digital signature，下面简称 signature ），如下：

小亮的signature = E(小红的CSR, 小亮的私钥K1)

4. 小亮把signature和小红的CSR的明文合在一起，称为经过 CA 签署的身份证（CA signed certificate，CRT），发给小红，成为了小红的CRT，如下：

小红的CRT = 小红的CSR + 小亮的signature

说明：单纯的 CSR 都是明文的，因为 CSR 只是公钥和 ID 的组合。

 

2.1.2 根据数字签名进行认证

 

在上面生成了小红的CRT后，如果小明要与小红聊天，过程如下：

1. 小明想要与小红聊天（建立HTTPS连接）时，小红出示了自己的CRT，该CRT是经过小亮（CA）签署的； 

2. 小明拿到了小红的CRT，看到了这个CRT是经过小亮签署的，因为小亮很权威，小明是相信小亮的（小明预先在自己的机器上安装了小亮的身份证CRT。这里小亮的身份证CRT是小亮对外公布的，其实是一个自签名的CRT）；

3. 小明从小亮的身份证CRT中获取小亮的CSR，再从小亮的CST中提取小亮的公钥K2。如下：

小亮的公钥K2 = 小亮的CRT中的CSR（明文）中的公钥K2

4. 小明用提取的小亮的公钥K2，解密小红CRT中小亮的signature，得到了小红的CSR'。如下：

小红的CSR' = D(CRT中小亮的signature, 小亮的公钥K2)

5. 如果第4步中得到的这个小红的CSR'和小红CRT中的CSR（明文）一致，则说明“这个小红的CRT是经过小亮确认过并且签名的，所以这个小红的CRT是可信的”。如下：

if 小红的CSR' == 小红的CRT中的小红的CSR（明文），则小红的CRT可信

6. 所以，既然小红的CRT是可信的，小明就可以获取小红CRT中的CSR中的小红的公钥K2，进行后续通信了。

2.1.3 who is CA

从上述过程可以看出，任何人或机构都可以作为 CA ，只要他愿意公开自己的公钥K2（通过自签名、提供自己的CRT的方式），那么他就可以用自己的私钥去加密别人的 CSR （生成 signature ），签署生成别人的CRT。

如果CA不可靠，其实就没有办法了，很多操作系统（Windows、Mac OS X）和浏览器（Chrome、Firefox、IE）会内置一些可靠的CA的身份证，我们可以从这些可靠的CA的身份证中获取该CA的公钥K2，如果后面遇到了该CA签署的别人的身份证，那么我们就可以通过该CA的公钥K2验证那个人的身份证是否可信了。

2.1.4 信任链

在上文中，CA小亮如果担心没人相信自己是个权威的CA，那么可以找一个大家都相信的CA（比如老王），然后让老王对小亮的CRT进行签名，如下：

小亮的CSR = 小亮的公钥K2 + 小亮的域名
老王的signature = E(小亮的CSR, 老王的私钥K1)
小亮的CRT = 小亮的CSR（明文） + 老王的signature

经过上述步骤后，如果浏览器或者操作系统里安装了老王的公钥 K2 （可以从老王的自签名CRT中获取），则可以验证“小亮的身份证CRT是老王确认并且签名过的”。

此时，小亮在签署小红的CRT时，可以在小红的CRT后面附上小亮的CRT，这样小红的CRT就有“两页”了。

当小明和小红通信时，过程如下：

1. 小红出示自己的CRT，该CRT是经过小亮认证的，而小亮的CRT又是经过老王认证的；

2. 小明虽然不信任小亮，但是因为信任老王，所以小明先用老王的公钥 K2 来验证小红 CRT 中附带的小亮的 CRT ；

3. 经过验证，小明信任了小亮；

4. 然后，小明再用小亮的公钥 K2 来验证小红的 CRT；

5. 最终，小明信任了小红。

要是怕小明连自己也不信任，老王可以再找一个小明信任的人来签名自己的身份证。这个过程可以不断递推，从而形成一条信任链（trust of chain）。

2.1.5 根CA和自签名

前面介绍了信任链，不过信任链总会有个顶端，即最后一个签名者（CA），这个最后的签名者被称为根CA（root CA）。

根CA对应的CRT称为根身份证，根身份证是由根CA自己签名的。

实际上，我们每个人都可以自己签名认证自己的身份证，得到自签名的身份证（self-signed certificate）。生成自签名身份证的过程如下：

1. 生成一对秘钥：公钥 K2 和私钥 K1 ；

2. 创建自己的 CSR ；

3. 用自己的秘钥 K1 加密 CSR，得到 signature；

4. 最后，把自己的 CSR（明文）和 signature 一起发布，生成自己的 CRT。

任何人，只要相信我们的自签名 CRT，就可以用我们的 CRT 中的 CSR 中的公钥 K2 加密传送给我们的信息，然后我们就可以通过私钥 K1 来解密。

在2.1.4节的示例中，如果老王是根CA，那么身份证信任链如下：

【小红的CRT】

小红的CSR = 小红公钥K2 + 小红域名
小亮的signature = E(小红的CSR, 小亮的私钥K1)
小红的CRT = 小红的CSR（明文） + 小亮的signature

【小亮的CRT】

小亮的CSR = 小亮的公钥K2 + 小亮域名
老王的signature = E(小亮的CSR, 老王的私钥K1)
小亮的CRT = 小亮的CSR（明文） + 老王的signature

【老王的CRT】

老王的CSR = 老王的公钥K2 + 老王的域名
老王的signature = E(老王的CSR, 老王自己的私钥K1)   --- 根CA，自签名
老王的CRT = 老王的CSR（明文） + 老王的signature

未完待续。。。