余向阳:白话数字签名

关键词:[互联网+] 浏览:1096 发布日期:2016-01-20 网页收藏

  • 摘要

    本系列通过通俗易懂的讲解,让您就像读小说一般,轻轻松松就能理解数字签名的基本原理和应用方法(即使您是一个并不精通计算机的企业老总,也能读懂本篇文章)。然后我们再逐步深入技术细节,最后将给出一个在B/S信息系统中使用数字签名的DEMO。

    由于数字签名基于非对称加密技术,所以我们需要先啰嗦一下对称加密和非对称加密技术。

    对称加密

    何谓加密?加密是一种“把数据搞乱掉”的技术。加密技术涉及到4种东东:
    明文:可以被人或程序识别的数据。例如一个文本文件、一段歌词、一个Word文档、一首MP3、一个图片文件、一段视频等等。
    加密算法:将数据搞乱掉的方法。
    密钥(密码):一个你在进行加密操作时给出的字符串,让加密算法不但把明文“搞乱掉”,而且要乱得“与众不同”。这样即使别人搞到了解密算法,如果没有当初加密时所使用的密码,一样无法进行解密操作。
    密文:明文被加密算法和密钥加密后的结果。它看上去就是一堆乱码,没有人或程序能知道它到底表示什么信息。

    作为加密的一个实例,我将使用由我杜撰的“景氏替换加密算法”演示一下加密过程。
    明文:good good study, day day up.
    密钥:google
    景氏替换加密算法:将明文中的所有的字母“d”替换成密钥。
    密文:将“good good study, day day up.”中的所有字母“d”替换成“google”,就得到密文“googoogle googoogle stugoogley,  googleay googleay up.”。这个密文乱得还可以吧?一般人看了肯定不知道它是什么意思。

    那么什么是解密呢?解密就是把密文再变回明文的过程。
    例如“景氏替换解密算法”就是:将密文中所有与密钥相同的字符串替换成“d”。
    密文:googoogle googoogle stugoogley,  googleay googleay up.
    密钥:google
    景氏替换解密算法:将密文中所有与密钥相同的字符串替换成“d”。
    明文:将“googoogle googoogle stugoogley,  googleay googleay up.”中的所有“google”替换成“d”,就得到了明文“good good study, day day up.”。

    您肯定已经注意到了,我们在进行加密和解密时使用的密钥必须是相同的,例如在上例中,加密和解密都必须使用相同的密钥“google”。所以像“景氏替换加密算法”这种就被称为对称加密算法。目前最为流行的对称加密算法是DES和AES,此外,对称加密算法还有IDEA、FEAL、LOKI、Lucifer、RC2、RC4、RC5、Blow fish、GOST、CAST、SAFER、SEAL等。WinRAR的文件加密功能就是使用的AES加密算法。

    非对称加密

    非对称加密算法是一类与众不同的加密算法,它的密钥不是1个,而是2个(一对),我们先姑且称它们为密钥K1和密钥K2。非对称加密算法的特点是,如果用密钥K1进行加密,则有且仅有密钥K2能进行解密;反之,如果使用密钥K2进行了加密,则有且仅有密钥K1能进行解密。注意“有且仅有”的意思——如果用密钥K1进行了加密,是不能用密钥K1进行解密的;同样,如果用密钥K2进行了加密,也无法用密钥K2进行解密。这是一个非常重要的特性,至于如何在实际中运用这个特性,请看下文。

    我想给Clark传送一个AV小电影,又怕被他的老婆发现......

    话说俺得了一个很不错的AV小电影,想通过网络传送给Clark,可是又怕被他的老婆发现(因为Clark的老婆是一个超级黑客,她可以使用sniffer技术截获任何通过网线传送给Clark的数据。别跟我说用VPN,它超出了本文讨论的范围),怎么办呢?对了,我们需要一个“将数据搞乱掉”的技术——加密技术。我先使用WinRAR对小电影进行压缩,然后加上密码“TswcbyyqjsjhfL”(还记得么?WinRAR的文件加密功能使用的是叫作AES的对称加密算法)。接着,将这个加密后的文件通过QQ传送给Clark。然后,兴冲冲地拨打Clark的手机:
    “喂?Clark么?好久不见,呵呵......我给你发了个好东东呦,在QQ上,收到没?......密码是TswcbyyqjsjhfL,对,就是天生我才必有用,千金散尽还复来的首字母,第一个和最后一个字母要大写呦......”
    可是,Clark,我是真的不知道你的老婆大人刚刚就在你的身边呀!而且你也知道,我打电话从来都是喜欢很大声的......呜呜呜......
    在Clark跪了一夜的搓衣板之后,我们都明白:如果是已经保存在自己硬盘上的文件,使用对称加密技术进行加密是没有问题的;如果是两个人通过网络传输文件,使用对称加密就很危险——因为在传送密文的同时,还必须传送解密密钥。我们需要一个与众不同的加密算法,一个不需要传递解密密钥的加密算法。非对称加密正好可以满足我们的需要。基本思路是这样的:首先,生成一对满足非对称加密要求的密钥对(密钥K1和密钥K2)。然后,将密钥K1公布在网上,任何人都可以下载它,我们称这个已经公开的密钥K1为公钥;密钥K2自己留着,不让任何人知道,我们称这个只有自己知道的密钥K2为私钥。当我想给Clark传送小电影时,我可以用Clark的公钥对小电影进行加密,之后这个密文就连我也无法解密了。这个世界上只有一个人能将密文解密,这个人就是拥有私钥的Clark。

    后来......

    后来,Clark痛定思痛,决定申请一个数字证书。流程是这样的:首先,登录当地的数字证书认证中心网站,填表->出示个人有效证件原件和复印件->缴费->等待数字证书认证中心制作数字证书->领取数字证书。如果您的公司需要申请大量的数字证书,还可以与认证中心的销售人员商量,先领取免费的试用版的数字证书供技术人员试用。
    后来的后来,我又得到了一本电子版的不良漫画,当然,我又想到了Clark。我先在数字证书认证中心下载了Clark的公钥证书(就是一个含有公钥信息的文件),使用非对称加密算法对不良漫画进行加密,再将密文通过QQ传送给Clark。然后,我兴冲冲地拨打Clark的手机:
    “喂?Clark么?好久不见,呵呵......我给你发了个好东东呦,在QQ上,收到没?......已经用你的公钥加密了。用你的私钥解密就行了^_^”
    Clark兴冲冲地插入他的私钥(忘了说了,私钥并不是一个文件,而是一个USB设备,外形就跟U盘一样,至于为什么要这样,下一篇再说),解密,然后开始看漫画,完全没察觉他的老婆大人就在身后......

    Clark,俺这个月手头有点紧......

    唉,这个月买了太多的书,到月底揭不开锅了。正巧在QQ上遇到了Clark:
    1-2-3:“Clark,我需要200两纹银,能否借给我?”
    Clark:“没问题。我这就给你转账。请给我一张借条。”
    1-2-3:“太谢谢了,我这就用Word写一个借条给你。”
    然后,我新建一个Word文档,写好借条,存盘。然后,然后怎么办呢?我不能直接把借条发送给Clark,原因有:
        1. 我无法保证Clark不会在收到借条后将“纹银200两”改为“纹银2000两”。
        2. 如果我赖账,Clark无法证明这个借条就是我写的。
        3. 普通的Word文档不能作为打官司的证据。
    好在我早就申请了数字证书。我先用我的私钥对借条进行加密,然后将加密后的密文用QQ发送给Clark。Clark收到了借条的密文后,在数字证书认证中心的网站上下载我的公钥,然后使用我的公钥将密文解密,发现确实写的是“借纹银200两”,Clark就可以把银子放心的借给我了,我也不会担心Clark会篡改我的借条,原因是:
        1. 由于我发给Clark的是密文,Clark无法进行修改。Clark倒是可以修改解密后的借条,但是Clark没有我的私钥,没法模仿我对借条进行加密。这就叫防篡改
        2. 由于用我的私钥进行加密的借条,有且只有我的公钥可以解密。反过来讲,能用我的公钥解密的借条,一定是使用我的私钥加密的,而只有我才拥有我的私钥,这样Clark就可以证明这个借条就是我写的。这就叫防抵赖
        3. 如果我一直赖着不还钱,Clark把我告上了法庭,这个用我的私钥加密过的Word文档就可以当作程堂证供。因为我国已经出台了《中华人民共和国电子签名法》,使数字签名具有了法律效力。
    您一定已经注意到了,这个使用我的私钥进行了加密的借条,具有了防篡改、防抵赖的特性,并且可以作为程堂证供,就跟我对这个借条进行了“签名”的效果是一样的。对了,“使用我的私钥对借条进行加密”的过程就叫做数字签名。(由于数字签名算法的速度比较慢,所以在实际对文件签名的过程比上面提到的方法稍稍复杂一些,这个在下一篇再讲)。

    我是1-2-3,我真的是1-2-3,我是真的1-2-3

    正如您已经知道的,Clark的老婆是一名超级黑客——就是传说中能用计算机作任何事的人。这不,不久前她就轻松入侵了QQ数据库,下载了Clark的所有好友的ID和密码以及聊天记录。然后,时不时地伪装成Clark的好友跟Clark聊天,搞得Clark最近总是神经兮兮、疑神疑鬼的。这不,昨天我在QQ上遇到了Clark:
    1-2-3:“Clark,最近还好吧?我又搞到一个好东东呦,要不要?”
    Clark:“48475bbt556”
    Clark并不是疯掉了,那个“48475bbt556”也不是我跟Clark之间的什么通关暗语。这个“48475bbt556”就是Clark在键盘上胡乱敲上去的,不过,我却知道Clark是什么意思。我立刻把“48475bbt556”粘贴到Word里,然后用我的私钥对这个Word文档加密,再将这个Word文档发送给Clark。Clark在那边用我的公钥将Word文档解密,打开,发现里面写的就是“48475bbt556”,就知道QQ这边的确就是真正的我本人了。因为拥有我的私钥的人在这个世界上就只有我一人而已,Clark的老婆大人就是再神通广大也模仿不了,这就是数字签名的验证功能。

    顺便提一句,不但人可以申请数字证书,设备(例如Web服务器)也可以申请数字证书(叫作设备证书)。利用数字签名的验证功能,就可以验证服务器的身份了,这可是防钓鱼的终极解决方案呦。

    思考题

    如果Clark每次都向我发送相同的字符串(例如“1234”),而不是每次在键盘上胡乱地(随机地)敲一些字符,Clark的老婆就会利用Clark的懒惰模仿我跟Clark聊QQ,这是为什么?
    ?

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