数字签名原理及其应用

作者:qmickecs

发布时间:2017年6月25日

网络来源:CSDN

序言

签名的作用简单来说就是证明某个文件上的内容确实是我写的/我认同的,别人不能冒充我的签名(不可伪造),我也不能否认上面的签名是我的(不可抵赖)。

我们知道,手写签名之所以不能伪造,是因为每一个人的笔迹都是独一无二的,即使模仿,也可以通过专家鉴定分别出来。而不可抵赖,是因为每个人的笔迹都有固定特征,这些特征是很难摆脱的。

正是这两点特性使得手写签名在日常生活中被广泛承认,比如签合同、借条等等。

而数字签名,它的作用跟手写签名其实是类似的,用来证明某个消息或者文件是本人发出/认同的。我国在2005年就已经施行《电子签名法》,确立了电子签名(包括但不限于数字签名)的法律效力。

那么数字签名又是靠什么保证不可伪造和不可抵赖两个特性呢?

答案是利用公钥加密系统。常用的签名算法有

RSA,基于大整数分解问题
DSA,基于离散对数问题
ECDSA,属于DSA的一个变种,基于椭圆曲线上的离散对数问题
其中RSA是上述几个算法中最容易实现数字签名的。

公钥加密与数字签名

数字签名的要求是,只有我自己能签我的名字,其他人能验证我的签名,但是不能伪造我的签名。

我们知道,公钥加密系统里面,使用公钥加密,就可以使用私钥来解密;使用私钥加密,也可以使用公钥来解密。消息加密利用的是前者,数字签名利用的是后者。

用私钥对消息进行加密,得到密文,其实就是一个签名的过程。因为私钥顾名思义是私密的,而且是唯一的,只有我自己知道,别人无法在不知道我的私钥的情况下模仿我的签名(不可伪造)。而公钥是公开的,其他人可以很容易地使用公钥去尝试解密生成的密文,然后就可以知道这个签名是不是我签的(不可抵赖)。

当然,在数字签名的过程中,对原文的保密性没有要求,所以加密、解密这样的名词在这个场景中并不准确,用签名解签会更合适。

实际应用中,由于直接对原消息进行签名有安全性问题,而且原消息往往比较长,直接使用RSA算法进行签名速度会比较慢,所以我们一般对消息计算其摘要(比如SHA-256等),然后对摘要进行签名。只要使用的摘要算法是安全的(MD5、SHA-1已经不安全了),那么这种方式的数字签名就是安全的。

一个具体的签名过程如下:

小明对外发布公钥,并声明对应的私钥在自己手上
小明对消息M计算摘要,得到摘要D
小明使用私钥对D进行签名,得到签名S
将M和S一起发送出去

验证过程如下:

接收者首先对M计算摘要,得到D’
使用小明公钥对S进行解签,得到D
如果D和D’相同,那么证明M确实是小明发出的,并且没有被篡改过

应用

手写签名可以用来签合同,那么数字签名可以用来干什么呢?

网站认证

首先最常见的用处就是用来认证一个网站的身份。
比如我打开百度,百度是怎么保证显示在我眼前的网页就一定是百度生成的,不是其他人修改的呢?就是借助数字签名来实现的。

用IE浏览器打开百度,点击地址栏旁边的小锁,再点击查看证书,就可以看到百度主页的数字签名证书了。所谓证书,其实是对公钥的封装,在公钥的基础上添加颁发者、有效期等信息。

“签名算法”一栏可以看到,它使用的是sha256RSA,也就是使用SHA-256计算摘要,然后使用RSA对摘要进行签名。而在“公钥”一栏则保存着该证书的“本体”,用于验证签名的RSA公钥。

代码签名

而除此之外,还有个地方我们经常碰到数字签名的——代码签名。

如果Windows上的可执行程序程序来源于正规公司,那么通常它会有代码签名,用于确保其来源可靠且未被篡改。以QQ为例,它的数字签名是这样的。

如果某个程序没有数字签名,那么它的安全性往往就没有保证;如果它有数字签名,但是显示“此数字签名无效”,那么这个程序要么被篡改了要么损坏了,不管哪种都不应该尝试执行它。

但是数字签名不是万能的。事实上不管是浏览器的数字签名还是代码的数字签名,都依赖于系统或者浏览器内置的根证书(公钥),如果电脑本身已经中毒或者被入侵,那么这些根证书可以被轻易添加或者修改,这时的数字签名的安全性可以说是荡然无存了。

即使是签名有效的软件,并不能保证签名的公司不耍流氓,因为申请合法证书的门槛其实并不高,很多流氓软件都是由一些不知名的小公司搞出来的;或者某些小公司篡改知名软件,加入自己的代码,然后将原来的签名替换成自己的签名,这些数字签名在系统看来也是有效的,但是我相信你不会想运行这些软件的。如果对安全性要求比较高,可以手动或者借助工具吊销那些不太安全的根证书,具体方法已经超出本文讨论范畴,读者可以自行寻找。

比特币

比特币是一种匿名的数字货币,它的身份认证是基于ECDSA。比特币的账户地址就是对公钥等信息计算摘要得到的,向全世界公布。比特币账户地址不包含你的个人信息(姓名、住址、电话号码之类的),确认你是账户拥有者的唯一办法就是看你有没有账户对应的私钥。如果账户私钥丢失,那么你将永远地失去里面的钱;一旦私钥被黑客盗取,账户里面的钱就完全归黑客所有。

#参考文献

Microsoft TechNet: Digital Signatures
Wikipedia: Digital Signature Algorithm
Wikipedia: Elliptic Curve Digital Signature Algorithm
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作者:qmickecs
来源:CSDN
原文:https://blog.csdn.net/qmickecs/article/details/73696954
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