计算机网络常问面试问题 3 —— 对称加密、非对称加密以及数字签名和数字证书
对称加密、非对称加密以及数字签名和数字证书
- 0、本文流程
- 1、对称加密、非对称加密
-
- 1.1、对称加密（Symmetric Cryptography）
-
- 1.1.1、定义
- 1.1.2、特征
- 1.2、非对称加密（Asymmetric Cryptography）
-
- 1.2.1、定义
- 1.2.2、特征
- 1.3、对称加密和非对称加密区别
- 1.4、非对称加密+对称加密的综合利用
- 1.5、中间人攻击
- 2、数字签名和数字证书
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- 2.1、数字签名（Digital Signature）
-
- 2.1.1、定义
- 2.1.2、图解说明
- 2.1.2、作用
- 2.2、数字证书(Digital Certificate)
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- 2.2.1、定义
- 2.2.2、数字证书验证过程（和2.1.2节类似）
- 参考
0、本文流程
为了便于统一行文思路，所以提前说明本篇流程：
- 1、
对称加密和非对称加密 各自的缺陷引出非对称加密+对称加密的综合利用 - 2、
非对称加密+对称加密的综合利用的缺陷引出数字签名技术 - 3、
数字签名技术的漏洞引出数字签名和数字证书综合利用
1、对称加密、非对称加密
1.1、对称加密（Symmetric Cryptography）
1.1.1、定义
在对称加密算法中，加密和解密使用的是同一把钥匙，即：使用相同的密匙对同一密码进行加密和解密；
- 发送方使用密钥将明文数据加密成密文，然后发送出去，接收方收到密文后，使用同一个密钥将密文解密成明文读取。
- 常见的对称加密算法有DES、3DES、AES、Blowfish、IDEA、RC5、RC6。
加密：原文 + 密匙 = 密文
解密：密文 - 密匙 = 原文
1.1.2、特征
- 加密计算量小、速度块，适合对大量数据进行加密的场景。
- 对称加密通常使用的是相对较小的密钥，一般小于256 bit。因为密钥越大，加密越强，但加密与解密的过程越慢。如果你只用1 bit来做这个密钥，那黑客们可以先试着用0来解密，不行的话就再用1解；但如果你的密钥有1 MB大，黑客们可能永远也无法破解，但加密和解密的过程要花费很长的时间。
用对称加密可行吗？
- 1、密钥传输问题：由于对称加密的加密和解密使用的是同一个密钥，所以对称加密的安全性就不仅仅取决于加密算法本身的强度，更取决于密钥是否被安全的保管，因此加密者如何把密钥安全的传递到解密者手里，就成了对称加密面临的关键问题。
- 2、密钥管理问题：我们在加密用户的信息时，不可能所有用户都用同一个密钥加密解密吧，这样的话，一旦密钥泄漏，就相当于泄露了所有用户的信息，因此需要为每一个用户单独的生成一个密钥并且管理，这样密钥管理的代价也会非常大。
1.2、非对称加密（Asymmetric Cryptography）
1.2.1、定义
非对称加密有两个钥匙，及公钥（Public Key）和私钥（Private Key）。公钥和私钥是成对的存在，如果对原文使用公钥加密，则只能使用对应的私钥才能解密；因为加密和解密使用的不是同一把密钥，所以这种算法称之为非对称加密算法。
- 比如，你向银行请求公钥，银行将公钥发给你，你使用公钥对消息加密，那么只有私钥的持有人–银行才能对你的消息解密。与对称加密不同的是，银行不需要将私钥通过网络发送出去，因此安全性大大提高。
- 非对称加密算法的密匙是通过一系列算法获取到的一长串随机数，通常随机数的长度越长，加密信息越安全。
- 通过私钥经过一系列算法是可以推导出公钥的，也就是说，公钥是基于私钥而存在的。但是无法通过公钥反向推倒出私钥，这个过程的单向的。
1.2.2、特征
- 优点：安全，即使密文被拦截、公钥被获取，但是无法获取到私钥，也就无法破译密文。作为接收方，务必要保管好自己的密钥。
- 缺点：加密算法及其复杂，安全性依赖算法与密钥，而且加密和解密效率很低。
1.3、对称加密和非对称加密区别
对称加密
- 加密密码和解密密码是相同的密钥
非对称加密
- 加密密码和解密密码不同
- 加密和解密算法都是公开的，加密密钥也是公开的，解密密钥是保密的
- 公钥和私钥是配对关系，公钥加密就用私钥解密
1.4、非对称加密+对称加密的综合利用
对称加密不安全，速度快，非对称加密安全系数高，耗时，如何解决这个问题？
解决的办法是将对称加密的密钥使用非对称加密的公钥进行加密，然后发送出去，接收方使用私钥进行解密得到对称加密的密钥，然后双方可以使用对称加密来进行沟通。
请看一下这个过程：
- 1、某网站拥有用于非对称加密的公钥A、私钥A’。
- 2、浏览器像网站服务器请求，服务器把公钥A明文给传输浏览器。
- 3、浏览器随机生成一个用于对称加密的密钥X，用公钥A加密后传给服务器。
- 4、服务器拿到后用私钥A’解密得到密钥X。
- 5、这样双方就都拥有密钥X了，且别人无法知道它。之后双方所有数据都用密钥X加密解密。
完美？还是有漏洞的。
1.5、中间人攻击
中间人的确无法得到浏览器生成的密钥B，这个密钥本身被公钥A加密了，只有服务器才有私钥A’解开拿到它呀！然而中间人却完全不需要拿到密钥A’就能干坏事了。
- 1、某网站拥有用于非对称加密的公钥A、私钥A’。
- 2、浏览器向网站服务器请求，服务器把公钥A明文给传输浏览器。
- 3、中间人劫持到公钥A，保存下来，把数据包中的公钥A替换成自己伪造的公钥B（它当然也拥有公钥B对应的私钥B’）。
- 4、浏览器随机生成一个用于对称加密的密钥X，用公钥B（浏览器不知道公钥被替换了）加密后传给服务器。
- 5、中间人劫持后用私钥B’解密得到密钥X，再用公钥A加密后传给服务器。
- 6、服务器拿到后用私钥A’解密得到密钥X。
- 总结：
中间人得到了密钥B。根本原因是浏览器无法确认自己收到的公钥是不是网站自己的
如何证明浏览器收到的公钥一定是该网站的公钥？ ——》》 数字证书
2、数字签名和数字证书
非常生动的漫画说明
2.1、数字签名（Digital Signature）
2.1.1、定义
网站在使用HTTPS前，需要向“CA机构”申请颁发一份数字证书，数字证书里有证书持有者、证书持有者的公钥等信息，服务器把证书传输给浏览器，浏览器从证书里取公钥就行了，证书就如身份证一样，可以证明“该公钥对应该网站”。然而这里又有一个显而易见的问题了，证书本身的传输过程中，如何防止被篡改？即如何证明证书本身的真实性？
- 我们把证书内容生成一份“签名”，比对证书内容和签名是否一致就能察觉是否被篡改。这种技术就叫
数字签名
1、制作数字签名流程
明文信息 ——》 进行hash（SHA1） ——》 得到摘要（Digest） ——》 使用私钥对摘要（Digest） 加密 ——》 明文 和 数字签名 组成 签名结果
注意，这里对摘要进行简单说明：
所谓摘要，其实就是某种HASH算法。将信息明文转化为固定长度的字符，它具有如下特点：
- ①无论输入的消息有多长，计算出来的消息摘要的长度总是固定的；
- ②用相同的摘要算法对相同的消息求两次摘要，其结果必然相同；
- ③一般地，只要输入的消息不同，对其进行摘要以后产生的摘要消息也几乎不可能相同；
- ④消息摘要函数是单向函数，即只能进行正向的信息摘要，而无法从摘要中恢复出任何的消息；
- ⑤好的摘要算法，没有人能从中找到“碰撞”，虽然“碰撞”是肯定存在的。即对于给定的一个摘要，不可能找到一条信息使其摘要正好是给定的。或者说，无法找到两条消息，是它们的摘要相同。
- 目前主要的摘要算法有
MD5和SHA1。
为什么制作数字签名时需要hash一次？
前面我们已经说了非对称加密效率较差，证书信息一般较长，比较耗时。而hash后得到的是固定长度的信息（比如用md5算法hash后可以得到固定的128位的值），这样加密解密就会快很多。
2.1.2、图解说明
以下图说明为例：假设有一天，Alice收到了一份署名为Bob的文件。Alice希望能够确认这份文件一定是来自Bob；另外Alice希望能够确信，这份文件在传输过程中并没有被它人篡改。那么基于非对称密钥算法我们应该怎么做？
1、数字签名的制作过程：
① Bob将原始的信息（明文）进行一次信息摘要算法（hash），得到原始信息的摘要；
② Bob使用自己的私钥，对该摘要值进行加密。得到信息摘要的密文（数字签名）；
③ Bob将明文和数字签名一起发送给Alice。
④ 一般的，我们将原始文件（明文）和数字签名 称作Bob对原始文件的签名结果。
2、验证过程
① 当Alice接收到Bob传输的信息（原始文件，信息摘要密文）后，使用Bob的公钥将摘要密文解密，得到摘要；
② 对明文使用信息摘要算法（hash），获取摘要；
③ Alice比较解密后的摘要信息和取得的摘要信息。如果相同，则可以证明文件一定由Bob发送，并且中途并没有经过任何篡改。一般将这个过程称作验签。
问题发现：
复杂的情况出现了。有人想欺骗Alice，他偷偷使用了Alice的电脑，用自己的公钥换走了Bob的公钥。此时，Alice实际拥有的是骗子的公钥，但是还以为这是Bob的公钥。因此，骗子就可以冒充Bob，用自己的私钥做成“数字签名”，写信给Alice，让Alice用假的Bob公钥进行解密。
Alice感觉不对，发现自己无法确定公钥是否真的属于Bob。她想到了一个办法，要求Bob去找“证书中心”（certificate authority，简称CA），为公钥做认证。证书中心用自己的私钥，对Bob的公钥和一些相关信息一起加密，生成“数字证书”（Digital Certificate）。
2.1.2、作用
- 确认核实发送者
- 保证报文的完整性
- 一般用于验证数字证书
2.2、数字证书(Digital Certificate)
2.2.1、定义
网站在使用HTTPS前，需要向“CA机构”申请颁发一份数字证书，数字证书里有证书持有者、证书持有者的公钥等信息，服务器把证书传输给浏览器，浏览器从证书里取公钥就行了，证书就如身份证一样，可以证明“该公钥对应该网站”。
Alice收信后，用CA的公钥解开数字证书，就可以拿到Bob真实的公钥了，然后就能证明“数字签名”是否真的是Bob的。
2.2.2、数字证书验证过程（和2.1.2节类似）
- 拿到证书，得到
明文T，数字签名S。 - 用
CA机构的公钥对S解密，得到S’。（由于是浏览器信任的机构，浏览器保有它的公钥，操作系统、浏览器本身会预装一些它们信任的根证书，如果其中有该CA机构的根证书，那就可以拿到它对应的可信公钥） - 用证书里说明的
hash算法对明文T进行hash得到T’。 - 比较
S’是否等于T’，等于则表明证书可信。
参考
1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/49494990
2、https://blog.csdn.net/hmxz2nn/article/details/91394256
3、https://zhuanlan.zhihu.com/p/43789231
4、https://www.jianshu.com/p/4932cb1499bf
5、https://www.cnblogs.com/MicroHeart/p/9057189.html
6、http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/08/what_is_a_digital_signature.html