【密码学】数字签名

一、数字签名的基本概念

        数字签名是一种用于验证电子文档完整性和身份认证的密码学技术。它通过使用公钥加密体系中的私钥对文档的一部分(通常是文档的摘要)进行加密,从而创建一个“签名”。这个签名可以附在文档上,或作为一个单独的文件。

        在生成数字签名前,通常会先使用哈希函数(如SHA-256)将原始消息转换成一个固定长度的摘要。这样做的目的是为了提高效率和安全性,因为直接对长消息进行签名可能非常耗时且不安全。

二、数字签名算法

        数字签名方案由三个算法构成,这个三个步骤共同构成了数字签名的基础,确保了数据的完整性和不可抵赖性,以及发送者身份的验证。

(1)密钥生成算法

        生成一对密钥的过程,包括一个私钥(private key)和一个公钥(public key)。私钥用于签名,而公钥用于验证签名。这一过程通常涉及随机数生成器来确保密钥的安全性和独特性。

  • 公钥:可以公开,用于加密信息或验证数字签名。
  • 私钥:需要保密,用于解密信息或生成数字签名。

(2)签名算法

        使用发送者的私钥对消息摘要进行加密,生成数字签名。签名后,将签名附加到原始消息上一起发送。

【注】谁签名就用谁的私钥来加密,而且是对摘要加密而不是文件。

(2)验证算法

        接收者使用发送者的公钥对数字签名进行解密,得到一个解密后的摘要。接收者同时使用相同的哈希函数对收到的消息再次进行哈希处理,得到一个新的摘要。

比较这两个摘要是否相同:

  • 如果相同,则证明消息在传输过程中没有被篡改,并且确实是发送者发出的。
  • 如果不同,则说明消息可能已被篡改或并非来自声称的发送者。

三、数字签名的安全性

数字签名必须保障以下几点:

  1. 数据完整性:数字签名可以确保数据在传输过程中未被篡改。当发送方使用其私钥对数据的摘要(通常是通过哈希算法产生的)进行加密时,接收方可以使用发送方的公钥解密这个摘要,并且用自己的哈希算法对收到的数据重新生成摘要。如果两个摘要匹配,那么可以确定数据在传输过程中没有被修改。

  2. 身份认证:数字签名提供了发送方的身份认证。由于只有持有正确私钥的人才能生成有效的数字签名,因此接收到有效签名的接收方可以确信数据确实来自声称的发送方。

  3. 不可否认性:数字签名可以防止发送方否认其发送的数据。由于数字签名是使用发送方的私钥创建的,发送方无法否认该签名,因为这相当于否认自己私钥的有效性。这种特性对于商务交易、法律文件和其他需要责任追溯的场合尤其重要。

  4. 时间戳:数字签名还可以包含时间戳,证明文档是在特定时间之前签署的。这对于某些法律要求或合同条款可能很重要,以确定文档的有效性或合规性。

        为了实现上述功能,数字签名通常结合了非对称加密(公钥/私钥对)、哈希函数和证书颁发机构(CA)来验证公钥的所有权。

四、数字签名与消息认证的对比

(1)消息认证

  1. 目的:消息认证的主要目的是验证消息的完整性和确认消息的来源。它确保消息在传输过程中未被篡改,并且来自声称的发送方。

  2. 技术:消息认证通常使用消息认证码(MAC)来实现。MAC是使用共享密钥对消息进行加密产生的一个固定长度的值,接收方使用相同的密钥和消息来重新计算MAC,然后与接收到的MAC进行比较,以验证消息的完整性和来源。

  3. 隐私性:MAC本身并不提供消息的机密性,即它不加密消息的内容。因此,通常需要结合使用对称加密来保护消息内容的隐私。

  4. 适用场景:MAC适用于需要快速验证消息真实性和完整性的场景,尤其是在共享密钥已经安全分发的前提下。

(2)数字签名

  1. 目的:数字签名不仅验证消息的完整性和来源,还提供了不可否认性(Non-repudiation),即发送者不能否认他发送了该消息。此外,数字签名还可以验证消息的创建时间,防止重放攻击。

  2. 技术:数字签名使用公钥加密技术,发送者使用自己的私钥对消息或消息的散列值进行加密,生成数字签名。接收者使用发送者的公钥解密数字签名,验证消息的真实性和完整性。

  3. 隐私性:数字签名本身也不提供消息内容的机密性,但它可以与对称加密结合使用,以确保消息的隐私。

  4. 适用场景:数字签名适用于需要提供高度安全和法律效力的场景,如电子合同、法律文件、财务交易等,其中不仅需要验证消息的来源和完整性,还需要确保发送者对消息的发送行为负责。

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