数字签名是什么？ 对称加密 与非对称加密

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（一）对称加密（Symmetric Cryptography）
对称加密是最快速、最简单的一种加密方式，加密（encryption）与解密（decryption）用的是同样的密钥（secret key）,这种方法在密码学中叫做对称加密算法。对称加密有很多种算法，由于它效率很高，所以被广泛使用在很多加密协议的核心当中。
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。密钥的大小既要照顾到安全性，也要照顾到效率，是一个trade-off。
2000年10月2日，美国国家标准与技术研究所（NIST--American National Institute of Standards and Technology）选择了Rijndael算法作为新的高级加密标准（AES--Advanced Encryption Standard）。.NET中包含了Rijndael算法，类名叫RijndaelManaged，下面举个例子。
加密过程：

private string myData = "hello";
private string myPassword = "OpenSesame";
private byte[] cipherText;
private byte[] salt = { 0x0, 0x1, 0x2, 0x3, 0x4, 0x5, 0x6, 0x5, 0x4, 0x3, 0x2, 0x1, 0x0 };

private void mnuSymmetricEncryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
var key = new Rfc2898DeriveBytes(myPassword, salt);
// Encrypt the data.
var algorithm = new RijndaelManaged();
algorithm.Key = key.GetBytes(16);
algorithm.IV = key.GetBytes(16);
var sourceBytes = new System.Text.UnicodeEncoding().GetBytes(myData);
using (var sourceStream = new MemoryStream(sourceBytes))
using (var destinationStream = new MemoryStream())
using (var crypto = new CryptoStream(sourceStream, algorithm.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Read))
{
moveBytes(crypto, destinationStream);
cipherText = destinationStream.ToArray();
}
MessageBox.Show(String.Format("Data:{0}{1}Encrypted and Encoded:{2}", myData, Environment.NewLine, Convert.ToBase64String(cipherText)));
}
private void moveBytes(Stream source, Stream dest)
{
byte[] bytes = new byte[2048];
var count = source.Read(bytes, 0, bytes.Length);
while (0 != count)
{
dest.Write(bytes, 0, count);
count = source.Read(bytes, 0, bytes.Length);
}
}

解密过程：

private void mnuSymmetricDecryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
if (cipherText == null)
{
MessageBox.Show("Encrypt Data First!");
return;
}
var key = new Rfc2898DeriveBytes(myPassword, salt);
// Try to decrypt, thus showing it can be round-tripped.
var algorithm = new RijndaelManaged();
algorithm.Key = key.GetBytes(16);
algorithm.IV = key.GetBytes(16);
using (var sourceStream = new MemoryStream(cipherText))
using (var destinationStream = new MemoryStream())
using (var crypto = new CryptoStream(sourceStream, algorithm.CreateDecryptor(), CryptoStreamMode.Read))
{
moveBytes(crypto, destinationStream);
var decryptedBytes = destinationStream.ToArray();
var decryptedMessage = new UnicodeEncoding().GetString(
decryptedBytes);
MessageBox.Show(decryptedMessage);
}
}

对称加密的一大缺点是密钥的管理与分配，换句话说，如何把密钥发送到需要解密你的消息的人的手里是一个问题。在发送密钥的过程中，密钥有很大的风险会被黑客们拦截。现实中通常的做法是将对称加密的密钥进行非对称加密，然后传送给需要它的人。

（二）非对称加密（Asymmetric Cryptography）
1976年，美国学者Dime和Henman为解决信息公开传送和密钥管理问题，提出一种新的密钥交换协议，允许在不安全的媒体上的通讯双方交换信息，安全地达成一致的密钥，这就是“公开密钥系统”。相对于“对称加密算法”这种方法也叫做“非对称加密算法”。
非对称加密为数据的加密与解密提供了一个非常安全的方法，它使用了一对密钥，公钥（public key）和私钥（private key）。私钥只能由一方安全保管，不能外泄，而公钥则可以发给任何请求它的人。非对称加密使用这对密钥中的一个进行加密，而解密则需要另一个密钥。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。
目前最常用的非对称加密算法是RSA算法，是Rivest, Shamir, 和Adleman于1978年发明，他们那时都是在MIT。.NET中也有RSA算法，请看下面的例子：
加密过程：

private byte[] rsaCipherText;
private void mnuAsymmetricEncryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
var rsa = 1;
// Encrypt the data.
var cspParms = new CspParameters(rsa);
cspParms.Flags = CspProviderFlags.UseMachineKeyStore;
cspParms.KeyContainerName = "My Keys";
var algorithm = new RSACryptoServiceProvider(cspParms);
var sourceBytes = new UnicodeEncoding().GetBytes(myData);
rsaCipherText = algorithm.Encrypt(sourceBytes, true);
MessageBox.Show(String.Format("Data: {0}{1}Encrypted and Encoded: {2}",
myData, Environment.NewLine,
Convert.ToBase64String(rsaCipherText)));
}

解密过程：

private void mnuAsymmetricDecryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
if(rsaCipherText==null)
{
MessageBox.Show("Encrypt First!");
return;
}
var rsa = 1;
// decrypt the data.
var cspParms = new CspParameters(rsa);
cspParms.Flags = CspProviderFlags.UseMachineKeyStore;
cspParms.KeyContainerName = "My Keys";
var algorithm = new RSACryptoServiceProvider(cspParms);
var unencrypted = algorithm.Decrypt(rsaCipherText, true);
MessageBox.Show(new UnicodeEncoding().GetString(unencrypted));
}

虽然非对称加密很安全，但是和对称加密比起来，它非常的慢，所以我们还是要用对称加密来传送消息，但对称加密所使用的密钥我们可以通过非对称加密的方式发送出去。为了解释这个过程，请看下面的例子：
（1） Alice需要在银行的网站做一笔交易，她的浏览器首先生成了一个随机数作为对称密钥。
（2） Alice的浏览器向银行的网站请求公钥。
（3） 银行将公钥发送给Alice。
（4） Alice的浏览器使用银行的公钥将自己的对称密钥加密。
（5） Alice的浏览器将加密后的对称密钥发送给银行。
（6） 银行使用私钥解密得到Alice浏览器的对称密钥。
（7） Alice与银行可以使用对称密钥来对沟通的内容进行加密与解密了。

（三）总结
（1） 对称加密加密与解密使用的是同样的密钥，所以速度快，但由于需要将密钥在网络传输，所以安全性不高。
（2） 非对称加密使用了一对密钥，公钥与私钥，所以安全性高，但加密与解密速度慢。
（3） 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。

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今天，我读到一篇好文章。

它用图片通俗易懂地解释了，"数字签名"（digital signature）和"数字证书"（digital certificate）到底是什么。

我对这些问题的理解，一直是模模糊糊的，很多细节搞不清楚。读完这篇文章后，发现思路一下子就理清了。为了加深记忆，我把文字和图片都翻译出来了。

文中涉及的密码学基本知识，可以参见我以前的笔记。

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数字签名是什么？

作者：David Youd

翻译：阮一峰

原文网址：http://www.youdzone.com/signature.html

1.

鲍勃有两把钥匙，一把是公钥，另一把是私钥。

2.

鲍勃把公钥送给他的朋友们----帕蒂、道格、苏珊----每人一把。

3.

苏珊要给鲍勃写一封保密的信。她写完后用鲍勃的公钥加密，就可以达到保密的效果。

4.

鲍勃收信后，用私钥解密，就看到了信件内容。这里要强调的是，只要鲍勃的私钥不泄露，这封信就是安全的，即使落在别人手里，也无法解密。

5.

鲍勃给苏珊回信，决定采用"数字签名"。他写完后先用Hash函数，生成信件的摘要（digest）。

6.

然后，鲍勃使用私钥，对这个摘要加密，生成"数字签名"（signature）。

7.

鲍勃将这个签名，附在信件下面，一起发给苏珊。

8.

苏珊收信后，取下数字签名，用鲍勃的公钥解密，得到信件的摘要。由此证明，这封信确实是鲍勃发出的。

9.

苏珊再对信件本身使用Hash函数，将得到的结果，与上一步得到的摘要进行对比。如果两者一致，就证明这封信未被修改过。

10.

复杂的情况出现了。道格想欺骗苏珊，他偷偷使用了苏珊的电脑，用自己的公钥换走了鲍勃的公钥。此时，苏珊实际拥有的是道格的公钥，但是还以为这是鲍勃的公钥。因此，道格就可以冒充鲍勃，用自己的私钥做成"数字签名"，写信给苏珊，让苏珊用假的鲍勃公钥进行解密。

11.

后来，苏珊感觉不对劲，发现自己无法确定公钥是否真的属于鲍勃。她想到了一个办法，要求鲍勃去找"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，对鲍勃的公钥和一些相关信息一起加密，生成"数字证书"（Digital Certificate）。

12.

鲍勃拿到数字证书以后，就可以放心了。以后再给苏珊写信，只要在签名的同时，再附上数字证书就行了。

13.

苏珊收信后，用CA的公钥解开数字证书，就可以拿到鲍勃真实的公钥了，然后就能证明"数字签名"是否真的是鲍勃签的。

14.

下面，我们看一个应用"数字证书"的实例：https协议。这个协议主要用于网页加密。

15.

首先，客户端向服务器发出加密请求。

16.

服务器用自己的私钥加密网页以后，连同本身的数字证书，一起发送给客户端。

17.

客户端（浏览器）的"证书管理器"，有"受信任的根证书颁发机构"列表。客户端会根据这张列表，查看解开数字证书的公钥是否在列表之内。

18.

如果数字证书记载的网址，与你正在浏览的网址不一致，就说明这张证书可能被冒用，浏览器会发出警告。

19.

如果这张数字证书不是由受信任的机构颁发的，浏览器会发出另一种警告。

20.

如果数字证书是可靠的，客户端就可以使用证书中的服务器公钥，对信息进行加密，然后与服务器交换加密信息。

（完）