数字签名

数字签名是一种通过密码运算生成的数据，用于验证信息的完整性和来源，确保数据在传输过程中未被篡改，同时提供发送者的身份认证和防止抵赖的功能。它基于非对称密码加密系统，使用发送者的私钥对数据进行加密，接收方使用发送者的公钥进行解密和验证，以此来确认信息的完整性和来源。

数字签名的基本原理包括使用哈希函数将原始数据转换成报文摘要，然后用发送者的私钥对摘要进行加密，形成数字签名。接收方收到签名和原始数据后，使用发送者的公钥对签名进行解密，得到哈希摘要。通过比较这个摘要和用相同哈希函数对原始数据重新计算的摘要，可以验证数据的完整性和来源。

数字签名常用的算法包括RSA和ECC（椭圆曲线密码学），这些算法提供了足够的安全性，使得第三方难以伪造签名或篡改数据。数字签名与数据加密在原理与应用上的不同之处在于，加密主要关注数据的保密性，防止信息被未经授权的第三方获取，而数字签名则侧重于数据的完整性和发送者身份的验证。

工作原理

数字签名通常利用公钥加密技术，包括以下步骤：

1. 创建签名：
   • 发送方使用自己的私钥对消息或文件的散列（哈希）值进行加密。这个加密后的散列值即为数字签名。
2. 附加签名：
   • 签名通常会附加在消息或文件本身，或以某种形式发送给接收方。
3. 验证签名：
   • 接收方收到消息后，会使用相同的散列算法对消息生成散列值，并用发送方的公钥对数字签名进行解密。
   • 如果解密后的散列值与接收方自行计算的散列值匹配，说明消息未被篡改且签名有效。

这里的核心关键点在于验证方持有的公钥是签名方给的，签名方的私钥不能泄露。保证以上两点，数字签名才能发挥作用。

假设第三方用自己的私钥给验证方发送伪造消息，验证方使用签名方的公钥肯定是无法解密的。

关键特点

1. 身份验证：
   • 数字签名帮助接收方确认消息或文件确实来自声称的发送方。
2. 数据完整性：
   • 确保数据在传输或存储过程中未被更改。任何对数据的微小更改都会在验证签名时被检测到。
3. 不可否认性：
   • 发送方在对信息进行数字签名后，不能否认之前进行过的通信或交易，这对法律和商业交易尤为重要。

应用实例

• 电子邮件安全：通过数字签名，电子邮件的接收者可以验证发件人的身份和邮件内容的完整性。
• 软件分发：开发者对软件包进行签名，用户可以验证软件包是否未被篡改且确实来自于可信的源。
• 文件和文档签名：数字签名被广泛用于法律文件和其他重要文件，确保文件的内容和签名者的身份得到认证。

数字签名是加密的反向应用，加密是利用私钥来解密数据，而签名是利用公钥来解密数据验证签名。

数字证书

上面在介绍数字签名时提到，接收方需要保证拿到的公钥是发送方的。接收方如何安全的拿到公钥而不被第三方篡改？自然的联想到对公钥进行签名，而签名又需要一对新的公私钥，陷入了无限套娃。套娃自然就交给权威机构（CA）来终止，由它们使用私钥来对申请者提交的公钥和身份信息进行签名，签名生成的东西美其名曰数字证书，颁发给发送方。发送方以后在发送数据时，顺带亮出自己的数字证书（就是公钥），接收方用权威机构的公钥验证下，能解，证明这个就是发送方的公钥。

权威机构也分一级二级三级等套娃，顶级机构颁发的证书叫根证书，不再需要别人证明自己。

数字证书是一种用于确认数字实体身份的电子文件。它通常包含公钥和证书持有者的身份信息（如姓名和电子邮件地址），以及签发机构（CA）的签名，该签名用于验证证书的真实性。

数字证书的格式普遍采用的是X.509V3国际标准，一个标准的X.509数字证书包含以下一些内容：

1. 证书的版本信息；

2. 证书的序列号，每个证书都有一个唯一的证书序列号；

3. 证书所使用的签名算法；

4. 证书的发行机构名称，命名规则一般采用X.500格式；

5. 证书的有效期，通用的证书一般采用UTC时间格式；

6. 证书所有人的名称，命名规则一般采用X.500格式；

7. 证书所有人的公开密钥；

8. 证书发行者对证书的签名。

数字证书和数字签名趣味实例

下面以漫画的形式介绍数字证书的由来，翻译自

鲍勃有两把钥匙，一把是公钥，另一把是私钥。鲍勃的公钥可以给任何人，但是私钥只能自己保存。鲍勃的两个密钥中的任何一个都可以加密数据，另一个密钥可以解密该数据。

鲍勃把公钥送给他的朋友们----帕蒂、道格、苏珊----每人一把。

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。尽管帕蒂和道格可能可以拿到苏珊加密后的信且拥有鲍勃的公钥，但是由于他们没有鲍勃的私钥，因此无法解密。

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。

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）。

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

鲍勃将这个签名，附在信件下面，一起发给苏珊。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

首先，客户端向服务器发出加密请求。

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。

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。

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。

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。

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。