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加密与安全_密钥体系的三个核心目标之完整性解决方案

密钥体系的三个主要目标

机密性：确保第三者无法通过密文猜测出明文。
完整性：确保第三者无法篡改原文内容。
不可否认性：确保第三者不能冒充其他人发送消息。

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概述

1. 解释消息认证码的基本概念及其局限性。
2. 介绍数字证书及其在身份认证中的重要性。
3. 解释CA的角色和PKI的基本概念。
4. 描述CA的主要功能及证书的层级结构。
5. 讨论证书在安全通信中的必要性。
6. 说明信任CA的原因。

在消息认证码中，我们可以证明消息没有发生过篡改。但却无法证明这个消息就是 Alice 发给 Bob 的。 因为计算消息认证码所需的数据，Bob 和 Alice 都有，所以从理论上 Bob 是可以伪造这条"消息"的。

如果想做到消息的"无可抵赖性"，就需要证明"Alice 是 Alice"。证书体系应运而生，就用在证明"我是我"的场景中。

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不可否认性

不可否认性确保消息的发送者不能否认曾经发送过消息，这通常通过数字签名实现。

数字签名（Digital Signature）

定义：数字签名是一种基于非对称密码技术的认证机制，用于验证消息的发送者身份和消息的完整性。

工作原理：

1. Alice使用自己的私钥对消息的哈希值进行加密，生成数字签名，并将消息和数字签名一起发送给Bob。
2. Bob使用Alice的公钥对数字签名进行解密，得到消息的哈希值，并计算接收到的消息的哈希值。
3. Bob比较两个哈希值，若相同，则确认消息完整且由Alice发送。

优点：

• 提供身份认证和完整性验证。
• 防止发送者否认发送过消息。

应用场景：

• 安全电子邮件、数字合同、软件分发等需要验证身份和完整性的场景。

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证书是什么

证书是数字世界中的"身份证"，证书中标记了姓名、组织、邮箱和地址等个人信息，以及属于这个人的公钥。

仅仅有这些信息还不足以让数字证书变成身份证，证书最关键的一个环节是经过"CA"认证并且施加了数字签名。换言之，CA 认定这个证书就是属于某个人的，在数字世界中无法抵赖。

为什么 CA 有这么大的权力呢？ CA 有能力颁发证书，所以就有能力认定:“这个公钥的确属于某人”。某种意义上，我们信任数字证书更大程度上是信任 CA 中心。

证书使用流程

所有 CA 必须是可信的第三方。典型的证书使用流程是这样的

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PKI

在证书体系中，为了能够有效的运用公钥而制定了一系列的规范，这些规范构成了证书体系的基础，因此被统称为 PKI(Public-Key Infrastructure)

PKI 和其他规范一样，只是规范规格，并没有强制如何实现。所以很多组织和公司自行实现了里面的细节，所以从理论上说我们每个人都可以自行实现一套 PKI 规范，这样你也可以成为一个 CA 中心。

但是如何得到广泛大多数人的承认，这个是最复杂也是最重要的一步。

一般来说 PKI 有三个要素:

• 用户(使用 PKI 的人)
• 认证机构(CA，也就是颁发证书的人)
• 仓库(保存所有证书信息的地方)

用户就不说了，仓库就是保存证书的数据库，用户从仓库获取证书。

CA

下面我们说 CA

CA 最重要的几个功能:

• 生成密钥对。 首先，密钥对可以由用户自己生成，也可以由 CA 来生成。
• 注册证书。CA 会核对用户身份。当核对成功后，CA 使用自己的私钥来对用户的公钥数据进行数字签名，生成复合 X.509 规范的证书。
• 作废证书和 CRL。当用户私钥丢失或者丢失时，CA 可以及时宣告证书作废。数字证书的作废并不是登报声明就能完成，而是会登记在一个证书作废清单(CRL)中。用户需要及时更新 CRL 内容，当需要验证的证书在 CRL 中时，就会按照作废处理。

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证书层级

在最开始的时候，CA 对 Bob 的公钥进行了认证，并生成了证书。 此时的证书由两层，一层是 CA，另外一层是 Bob 公钥

多级证书

在实际情况中，证书会有很多层。上面一层负责给下面一层进行认证，而最上面的那一层就称为 Root CA(根 CA)

除去根 CA 和最底层的 Bob 之外，其余的中间 CA 就称为证书链(上面证明下面，就像一个认证链所以称为证书链)

证书链是如何完成认证的？

根证书怎么证明呢？ 既然称之为根证书那就说明上面已经没有其他 CA 了。 此时此刻，根证书就需要自签名进行认证

由此可见，根证书的私钥绝对不能泄露。一旦泄露，就可以伪造出完整的证书链，那么这个 CA 就算是彻底废了

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其他疑问

1. Alice能直接获取Bob的公钥，是否还需要证书？

即使Alice能直接获取Bob的公钥，仍然需要证书来验证公钥的真实性。获取公钥的通道可能不安全，可能被中间人攻击（Man-in-the-Middle Attack）篡改公钥。证书通过CA的签名，确保公钥确实属于Bob，防止伪造和篡改。

2. 为什么即使能直接获取公钥也需要加密？

即使Alice能通过安全通道直接获取Bob的公钥，仍需要加密通信来保护数据的机密性和完整性。加密可以防止数据在传输过程中被第三方窃取或篡改。证书体系通过验证公钥的真实性，确保加密通信的安全性。

3. 使用约定的非公开加解密方式通讯，是否还需要证书？

使用非公开的加解密方式并不安全。以下是原因：

• 算法的安全性：私有算法可能存在未被发现的漏洞，容易被攻击。公开算法经过广泛审查和测试，更加安全。
• 保密性：即使算法保密，也难以抵御高级攻击者。公开算法通过算子保密，实现更高的安全性。

4. 公开算法与私有算法的安全性对比

公开算法的优势：

• 广泛测试：公开算法经过学术界和工业界的广泛测试，安全性更高。
• 透明性：算法公开透明，易于发现和修复漏洞。
• 标准化：公开算法遵循标准，确保互操作性和兼容性。

私有算法的劣势：

• 不透明：算法未公开，可能存在未发现的安全漏洞。
• 信任问题：依赖于开发者的能力和诚信，难以获得广泛信任。
• 难以维护：私有算法难以与其他系统集成，维护成本高。

5. 信任CA的必要性

信任CA类似于信任政府发行的货币。CA通过签发和管理证书，为公钥提供信用背书，确保公钥的合法性和真实性。若不信任CA，需要自行验证每个证书节点的合法性，实际上等同于CA的工作。因此，信任CA可以简化验证过程，提高效率和安全性。