一文看懂对称加密、非对称加密、摘要、数字签名、数字证书
文章目录
- 前言
- 从一个故事说起
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- 1. 对称加密
- 2. 非对称加密
- 3. 摘要
- 4. 数字签名
- 5. 中间人攻击
- 6. 数字证书
- 参考资料
前言
最近需要实现一个艺术品买卖交易平台。由于安全性的需求，学习了各种加密方法。这里总结一下。
从一个故事说起
Alice要和Bob互传消息，消息在公开的网络上传播，不希望消息被别人看见，所以需要加密后，在网络上传送加密后的消息。只有有解密钥匙的人才能破解密文，看到消息内容。
1. 对称加密
最简单的方法是Alice和Bob制作一把钥匙的两个副本，各自保存一个。
Alice或Bob在发消息前先用钥匙加密消息，接收的人用钥匙解密后查看消息就行。加密解密用同一把钥匙就是对称加密。常见的对压缩文件加密的方式就是对称加密。常用的对称加密算法有AES（最常用）、DES、RC4。
由于对称加密算法加密的信息长度通常是固定的（如AES需要128/192/256位），但日常生活中我们给账号设定的密码通常不限长度，所以一般会先使用PBE（Password Based Encryption）算法，用随机数凑至足够长度，再进行加密。
但是如果不能面对面接触，如何通过公开的网络将钥匙分享给另一个人，同时防止攻击者截获并且备份一把钥匙留作他用？
2. 非对称加密
目前被认为最安全的方法是加密和解密用两把不同的钥匙。
Alice生成一把私钥和一把公钥，通过公开的网络将公钥传给Bob。日后发消息时，Bob先把消息用Alice的公钥加密，然后通过公开的网络传给Alice。因为加密的消息只能用Alice的私钥解锁，所以只有Alice能破解密文内容。当Alice想要给Bob传消息时，也是同样的道理。
尽管在多人互传消息时，非对称加密所需的密钥数量远低于对称加密。但是非对称加密算法的加密速度非常慢，而且只能加密长度有限的消息。相比之下，对称加密算法速度比较快，而且加密的消息长度不限。所以一种解决办法是使用非对称加密的方式来传送对称加密的密钥，而在传消息时使用对称加密的方式。比如AES+RSA（著名的WannaCry病毒用的也是这个方法）。
3. 摘要
当Alice想要给一份文件签名然后传送给Bob时，会先对文件使用叫做“哈希”的东西，得到一段长度固定的文件的摘要（digest）。摘要并非用于加密，而是用来确保文件内容完整无误，没有被攻击者修改过。常见的摘要算法有MD5、SHA1、SHA256、SHA512。
4. 数字签名
Alice随后将摘要信息使用Bob的公钥进行加密，这份加密的文件摘要就是Alice对这份文件的数字签名，确保了文件的完整无误（因为包含摘要），并且进一步保证了文件的真实性（因为摘要被Bob的私钥加密了）。
然后，Alice将自己的数字签名，和文件一起，发送给Bob。Bob拿到文件和加密的摘要，先使用自己的私钥对文件摘要进行解密，同时，自己也对文件内容使用“哈希”来生成一份摘要，然后通过比对两份摘要是否相同，从而确定文件是否真的是被Alice签名过的。
之所以要用两步：生成摘要+加密摘要，而非直接加密原文，是因为非对称加密耗时长，加密+解密的步骤比网络传输的速度还要慢，得不偿失。
常用的数字签名算法有：RSA、DSA（Digital Signature Algorithm，比如被比特币和Sony等公司使用的椭圆数字签名算法——ECDSA）
5. 中间人攻击
但是即使是上面描述的最妥善的加密措施，也没法防范中间人攻击。
如果在上述过程中，有一个攻击人，偷偷使用了Alice的电脑，将Bob的公钥换成了自己的公钥。日后Alice`发信息时，就会使用攻击人的公钥加密信息，从而信息会被攻击人收取。
（另一种中间人攻击是，攻击人截获Alice的发给Bob的消息，然后假扮Alice给Bob发消息，然后在Bob给Alice发消息时做相同的事，从而破获密钥。）
6. 数字证书
那么，Alice如何确认自己使用的公钥是Bob的公钥呢？
Bob可以去找证书中心（certificate authority，简称CA），为自己的公钥做认证。证书中心用自己的私钥，将Bob的公钥以及Bob的一些个人信息一起，加密生成一段文本，发给Bob。这个文本就是证书中心颁发给Bob的数字证书。
具体流程如下图。
这里有个问题：证书中心使用自己的私钥来加密数字证书，而Alice使用Bob的公钥来加密发给Bob信息，为什么截然相反？
因为使用对方的公钥加密信息，能确保信息只被对方破解。而使用自己的私钥加密信息，能够确保收到信息的所有人，都知道信息是由自己加密的。证书中心需要的是让所有人都知道，证书是由自己颁发的。
以后，Bob只需要在传送文件和数字签名（也就是加密的文件摘要）的同时，也附上自己的数字签名。Alice收到后，首先使用电脑出厂时就已经安装的证书中心的公钥，来解密数字签名，然后获取Bob的公钥，随后Alice再使用Bob的公钥，来解密文件附带的Bob的数字签名，就能确保文件的准确无误，而且能确定文件是被Bob签名过的。
HTTPS协议就用到了数字证书。
参考资料
- 廖雪峰官方网站 - 加密与安全
- 阮一峰 - 数字签名
- stackoverflow - How does a ROOT CA verify a signature?
- What is a Digital Signature?
- 知乎 - DH算法为什么属于非对称加密算法？
- 51CTO - 数字证书、签名到底是什么？这篇文章讲得太好了