数字签名 与 数字证书

1、数字签名

数字签名的核心目标是验证信息的完整性（Integrity）、认证发送方身份（Authentication）和不可否认性（Non-Repudiation）。它并不为了加密信息内容本身。

其基本原理是：发送方用只有自己才有的私钥对信息的“摘要”进行加密，生成签名；接收方用发送方公开的公钥解密这个签名，得到摘要A，再对接收到的信息计算得出摘要B，最后对比摘要A和摘要B是否一致。

整个流程可以分为两大步：发送方签名 和 接收方验签。

第一步：发送方签名流程

假设发送方是 Alice，要发送一份重要合同给 Bob，并需要签名。

1. 原始信息（Message）

   • Alice 拥有她想要发送的原始信息 M（例如："我同意以100万元购买此设备。Alice"）。

2. 哈希运算（Hash Function）

   • Alice 的电脑使用一个公开的密码学哈希函数（如 SHA-256）对原始信息 M 进行计算。
   • 生成一个固定长度、唯一的“信息摘要”（Digest），也称为哈希值（Hash Value）。
   • 特点：任何对信息 M 的微小改动，都会产生一个完全不同的摘要。这是一个不可逆的过程。

3. 签名生成（Signing with Private Key）

   • Alice 的电脑使用她自己的私钥（Private Key） 对这个信息摘要进行加密。
   • 加密后的摘要，就是所谓的数字签名（Digital Signature）。
   • 关键点：私钥是绝对保密且只有 Alice 自己拥有的。因此，能用Alice公钥解开的签名，必定是由Alice的私钥生成的。

4. 发送（Transmission）

   • Alice 将 原始信息 M 和 数字签名 一起发送给 Bob。
   • 注意：原始信息 M 本身可以是明文的，也可以是加密的。数字签名不关心信息内容是否保密，只关心身份和完整性。如果需要保密，则需要再用Bob的公钥对“信息+签名”整体进行加密，这是另一个流程（数字信封）。

第二步：接收方验签流程

Bob 收到了来自 Alice 的信息和签名。

1. 接收信息

   • Bob 收到了两份东西：原始信息 M' 和 数字签名。（这里用 M' 表示Bob收到的信息，因为它可能在传输中被篡改过）

2. 解密签名（Decrypting the Signature with Public Key）

   • Bob 使用 Alice 公钥（Public Key） 解密收到的数字签名。
   • 如果解密成功，就能得到一个摘要A。
   • 意义：能成功用Alice的公钥解密，证明这个签名最初一定是用Alice的私钥加密的。这就完成了身份认证。

3. 计算信息摘要（Recomputing the Hash）

   • 同时，Bob 使用与 Alice 相同的哈希函数（如 SHA-256），对他收到的原始信息 M' 进行计算，生成一个新的摘要B。

4. 对比验证（Comparison）

   • Bob 将第 2 步解密得到的 摘要A 与第 3 步计算出的 摘要B 进行比对。
   • 若相等，说明信息传输过程没有篡改，是由Alice发出，Alice 事后无法否。
   • 若不想等，说明信息在传输中被篡改，或者这个签名根本不是用Alice的私钥生成的。

流程总结图

[发送方：Alice]
原始信息 M --> [哈希函数] --> 信息摘要 --> [用Alice的私钥加密] --> 数字签名
                                                              |
                                                              ↓
                                                将 [M] 和 [签名] 一起发送

[接收方：Bob]
收到 [M'] 和 [签名] --> 两条路径：
       |
       |--> [用Alice的公钥解密签名] --> 得到摘要A
       |
       |--> [对M'进行哈希计算] --> 得到摘要B
                               |
                               ↓
                         [对比摘要A和摘要B] --> 相同则验证成功，不同则失败

简单来说：

• 数字签名是一种技术，用于验证数据的完整性和签名者的身份。
• 数字证书是一种数字文件，它像一本护照，用来安全地绑定一个公钥和其所有者的身份，而这个绑定关系本身又由一个受信任的第三方（CA）进行了数字签名。

2、数字证书

数字证书，也称为公钥证书或身份证书，其核心作用是解决公钥的信任问题。

回想一下数字签名流程：接收方（Bob）需要用发送方（Alice）的公钥来验证签名。但这里存在一个关键问题：Bob 如何确信他拿到的公钥真的属于 Alice，而不是一个冒充者提供的？

数字证书就是为了回答这个问题而诞生的。

数字证书可以理解为一本由官方认证机构颁发的“数字护照”，它包含以下关键信息：

1. 证书所有者的身份信息：如姓名、组织、电子邮件地址等。
2. 证书所有者的公钥：这是证书最核心的内容之一。
3. 证书颁发者（CA）的信息：是哪个机构颁发的这个证书。
4. 有效期：证书的生效日期和过期日期。
5. 数字签名：由证书颁发机构（CA）对上述所有信息进行哈希并用CA的私钥加密后生成的签名。这是整个证书可信的根源。

证书颁发机构（CA） 是一个受信任的第三方组织，它的核心职责就是核实实体（个人、网站、公司）的身份，然后为其签发数字证书。操作系统和浏览器都预装了大量受信任的根CA的证书（包含它们的公钥）。

3、数字签名 与 数字证书 的关联

两者的关系可以概括为：数字证书利用数字签名技术来建立其自身的可信度，从而为数字签名流程中的公钥分发提供信任基础。

这是一个层层嵌套的信任链：

1. CA使用数字签名来签署证书

   • CA在颁发证书给Alice时，会将Alice的身份信息和她的公钥等数据打包，并计算哈希值。
   • CA然后用它自己的私钥对这个哈希值进行加密，生成一个数字签名，并将这个签名附加到证书文件中。
   • 现在，Alice拥有了一个包含她公钥和CA签名的数字证书。

2. 用户使用数字签名来验证证书

   • 当Bob收到Alice的数字证书时，他需要验证这个证书是否可信。
   • Bob的电脑（浏览器/操作系统）里预存了受信任的根CA的公钥。
   • Bob的电脑会：
     • 用CA的公钥去解密证书中的CA签名，得到摘要A。
     • 对证书中Alice的身份信息、公钥等数据重新计算哈希，得到摘要B。
     • 对比摘要A和摘要B。如果匹配，则证明：
       • 这个证书的内容是完整的，未被篡改。
       • 这个证书确实是由那个受信任的CA颁发的。
     • 至此，Bob就可以信任这本“数字护照”，进而信任里面包含的Alice的公钥。

3. 使用可信的公钥进行数字签名验证

   • 现在Bob确信了证书里的公钥属于Alice，他就可以用这个公钥去验证Alice发送来的信息的数字签名了。

总结与类比

一个简单的比喻：

• 数字签名 就像一个人在合同上的亲笔签名。
• 数字证书 就像这个人的护照，由官方机构（CA）签发。护照上包含了他的照片（身份）、签名样本（公钥），并且护照本身有官方的防伪印章（CA的数字签名）。
• 验证过程：你首先检查他的护照（数字证书）是不是真的（用官方印章的样本来核对防伪印章），确保证件本身是真的。确认后，你相信护照里的信息（包括签名样本）是真实的。最后，你拿出护照里的签名样本（公钥）去核对合同上的亲笔签名（数字签名）是否一致。

所以，数字证书是数字签名能够大规模安全应用的基础设施。没有数字证书，公钥分发环节就存在巨大风险，数字签名的身份认证功能也就无从谈起。