简述HTTPS（三）：数字证书

在 上一篇文章 中，我们介绍了HTTPS的混合加密机制

为了解决 无法验证公钥正确性的问题，可以使用数字证书认证机构（CA）及其颁发的数字证书

CA（Certificate Authority）是客户端与服务器都可信赖的第三方权威机构，负责发放和管理数字证书，承担公钥的合法性检验的责任

简而言之，数字证书 由CA的数字签名和服务器的公钥 组成

派发给客户端的数字证书 会被CA的私钥加密，只有CA的公钥才能解密

首先，服务器会向CA提出公钥认证的申请

（即申请在CA中注册自己的公钥）

CA在判明服务器的身份后，会对公钥作数字签名

然后用私钥加密这份数字证书

接下来 让我们重新梳理一下HTTPS混合加密的具体过程

在第一阶段的非对称加密中，服务器的公钥key3被包含在数字证书中

客户端收到后，使用CA的公钥，对证书进行解密，验证证书中的数字签名

若验证通过，则说明：

详解数字签名

目前有许多种技术保证信息的安全不受侵犯，例如加密技术、访问控制技术、认证技术以及安全审计技术等，但这些技术大多数是用来预防用的，信息一旦被攻破，我们不能保证信息的完整性。为此，一种新兴的用来保证信息完整性的安全技术——数字签名技术成为人们非常关心的话题。那么，什么是数字签名技术？它有什么特殊功能呢？

概念

在数字签名技术出现之前，曾经出现过一种“数字化签名”技术，简单地说就是在手写板上签名，然后将图像传输到电子文档中，这种“数字化签名”可以被剪切，然后粘贴到任意文档上，这样非法复制变得非常容易，所以这种签名的方式是不安全的。数字签名技术与数字化签名技术是两种截然不同的安全技术，数字签名与用户的姓名和手写签名形式毫无关系，它实际使用了信息发送者的私有密钥变换所需传输的信息。对于不同的文档信息，发送者的数字签名并不相同。没有私有密钥,任何人都无法完成非法复制。从这个意义上来说，“数字签名”是通过一个单向函数对要传送的报文进行处理得到的，用以认证报文来源并核实报文是否发生变化的一个字母数字串。

原理

该技术在具体工作时，首先发送方对信息施以数学变换，所得的信息与原信息惟一对应；在接收方进行逆变换，得到原始信息。只要数学变换方法优良，变换后的信息在传输中就具有很强的安全性，很难被破译、篡改。这一个过程称为加密，对应的反变换过程称为解密。

现在有两类不同的加密技术，一类是对称加密，双方具有共享的密钥,只有在双方都知道密钥的情况下才能使用，通常应用于孤立的环境之中，比如在使用自动取款机（ATM）时，用户需要输入用户识别号码（PIN），银行确认这个号码后，双方在获得密码的基础上进行交易，如果用户数目过多，超过了可以管理的范围时，这种机制并不可靠。

另一类是非对称加密，也称为公开密钥加密，密钥是由公开密钥和私有密钥组成的密钥对，用私有密钥进行加密，利用公开密钥可以进行解密，但是由于公开密钥无法推算出私有密钥，所以公开的密钥并不会损害私有密钥的安全，公开密钥无须保密，可以公开传播，而私有密钥必须保密，丢失时需要报告鉴定中心及数据库。

算法

数字签名的算法很多, 应用最为广泛的三种是: Hash签名、DSS签名和RSA签名。

1 Hash签名

Hash签名不属于强计算密集型算法，应用较广泛。它可以降低服务器资源的消耗,减轻中央服务器的负荷。Hash的主要局限是接收方必须持有用户密钥的副本以检验签名, 因为双方都知道生成签名的密钥，较容易攻破，存在伪造签名的可能。

2 DSS和RSA签名

DSS 和RSA采用了公钥算法,不存在Hash的局限性。RSA是最流行的一种加密标准，许多产品的内核中都有RSA的软件和类库。早在Web飞速发展之前, RSA数据安全公司就负责数字签名软件与Macintosh操作系统的集成,在Apple的协作软件PowerTalk上还增加了签名拖放功能，用户只要把需要加密的数据拖到相应的图标上，就完成了电子形式的数字签名。与DSS不同，RSA既可以用来加密数据，也可以用于身份认证。和Hash签名相比，在公钥系统中，由于生成签名的密钥只存储于用户的计算机中，安全系数大一些。

功能

数字签名可以解决否认、伪造、篡改及冒充等问题。具体要求：发送者事后不能否认发送的报文签名、接收者能够核实发送者发送的报文签名、接收者不能伪造发送者的报文签名、接收者不能对发送者的报文进行部分篡改、网络中的某一用户不能冒充另一用户作为发送者或接收者。数字签名的应用范围十分广泛，在保障电子数据交换（EDI）的安全性上是一个突破性的进展，凡是需要对用户的身份进行判断的情况都可以使用数字签名，比如加密信件、商务信函、定货购买系统、远程金融交易、自动模式处理等等。

缺憾

数字签名的引入过程中不可避免地会带来一些新问题，需要进一步加以解决，数字签名需要相关法律条文的支持。

1 需要立法机构对数字签名技术有足够的重视，并且在立法上加快脚步，迅速制定有关法律，以充分实现数字签名具有的特殊鉴别作用，有力地推动电子商务以及其他网上事务的发展。

2 如果发送方的信息已经进行了数字签名，那么接收方就一定要有数字签名软件，这就要求软件具有很高的普及性。

3 假设某人发送信息后脱离了某个组织，被取消了原有数字签名的权限，以往发送的数字签名在鉴定时只能在取消确认列表中找到原有确认信息，这样就需要鉴定中心结合时间信息进行鉴定。

4 基础设施（鉴定中心、在线存取数据库等）的费用，是采用公共资金还是在使用期内向用户收费？如果在使用期内收费，会不会影响到这项技术的全面推广？

实施

实现数字签名有很多方法，目前采用较多的是非对称加密技术和对称加密技术。虽然这两种技术实施步骤不尽相同，但大体的工作程序是一样的。用户首先可以下载或者购买数字签名软件，然后安装在个人电脑上。在产生密钥对后，软件自动向外界传送公开密钥。由于公共密钥的存储需要，所以需要建立一个鉴定中心（CA）完成个人信息及其密钥的确定工作。鉴定中心是一个政府参与管理的第三方成员，以便保证信息的安全和集中管理。用户在获取公开密钥时，首先向鉴定中心请求数字确认，鉴定中心确认用户身份后，发出数字确认，同时鉴定中心向数据库发送确认信息。然后用户使用私有密钥对所传信息签名，保证信息的完整性、真实性，也使发送方无法否认信息的发送，之后发向接收方；接收方接收到信息后，使用公开密钥确认数字签名，进入数据库检查用户确认信息的状况和可信度；最后数据库向接收方返回用户确认状态信息。不过，在使用这种技术时，签名者必须注意保护好私有密钥，因为它是公开密钥体系安全的重要基础。如果密钥丢失，应该立即报告鉴定中心取消认证，将其列入确认取消列表之中。其次，鉴定中心必须能够迅速确认用户的身份及其密钥的关系。一旦接收到用户请求，鉴定中心要立即认证信息的安全性并返回信息。

什么是数字签名:

一数字签名的含义

数字签名是在公钥加密系统的基础上建立起来的,数字签名的产生涉及的运算方式是为人们所知的散列函数功能,也称"哈希函数功能"(Hash Function)哈希函数功能其实是一种数学计算过程这一计算过程建立在一种以"哈希函数值"或"哈希函数结果"形式创建信息的数字表达式或压缩形式(通常被称作"信息摘要"或"信息标识")的计算方法之上在安全的哈希函数功能(有时被称作单向哈希函数功能)情形下,要想从已知的哈希函数结果中推导出原信息来,实际上是不可能的因而,哈希函数功能可以使软件在更少且可预见的数据量上运作生成数字签名,却保持与原信息内容之间的高度相关,且有效保证信息在经数字签署后并未做任何修改

所谓数字签名,就是只有信息的发送者才能产生的,别人无法伪造的一段数字串,它同时也是对发送者发送的信息的真实性的一个证明签署一个文件或其他任何信息时,签名者首先须准确界定要签署内容的范围然后,签名者软件中的哈希函数功能将计算出被签署信息惟一的哈希函数结果值(为实用目的)最后使用签名者的私人密码将哈希函数结果值转化为数字签名得到的数字签名对于被签署的信息和用以创建数字签名的私人密码而言都是独一无二的

一个数字签名(对一个信息的哈希函数结果的数字签署)被附在信息之后,并随同信息一起被储存和传送然而,只要能够保持与相应信息之间的可靠联系,它也可以作为单独的数据单位被存储和传送因为数字签名对它所签署的信息而言是独一无二的,因此,假如它与信息永久地失去联系则变得毫无意义

在书面文件上签名是确认文件的一种手段,数字签名同传统的手写签名相比有许多特点

首先,数字签名中的签名同信息是分开的,需要一种方法将签名与信息联系在一起,而在传统的手写签名中,签名与所签署之信息是一个整体;

其次,在签名验证的方法上,数字签名利用一种公开的方法对签名进行验证,任何人都可以对之进行检验而传统的手写签名的验证,是由经验丰富的接收者,通过同预留的签名样本相比较而作出判断的;

最后,在数字签名中,有效签名的复制同样是有效的签名,而在传统的手写签名中,签名的复制是无效的

数字签名可以同时具有两个作用:确认数据的来源,以及保证数据在发送的过程中未作任何修改或变动因此,在某些方面而言,数据签名的功能,更有些近似于整体性检测值的功能但是,二者的一个主要区别在于,数字签名必须能够保证以下特点,即发送者事后不能抵赖对报文的签名这一点相当重要由此,信息的接收者可以通过数字签名,使第三方确信签名人的身份及发出信息的事实当双方就信息发出与否及其内容出现争论时,数字签名就可成为一个有力的证据一般来说因信息篡改而受影响较大的是接收方因此,接收方最好使用与信息发送方不同的数字签名,以示区别这是整体性检测值所不具有的功能在这种意义上说来,确认一个数字签名,有些类似于通过辩认手写签名来确认某一书面文件的来源一样的意义

采用数字签名和加密技术相结合的方法,可以很好地解决信息传输过程中的完整性,身份认证以及防抵赖性等问题

(1)完整性因为它提供了一项用以确认电子文件完整性的技术和方法,可认定文件为未经更改的原件

(2)可验证性可以确认电子文件之来源由于发件人以私钥产生的电子签章惟有与发件人的私钥对应的公钥方能解密,故可确认文件之来源

(3)不可否认性由于只有发文者拥有私钥,所以其无法否认该电子文件非由其所发送

数字签名

所谓"数字签名"就是通过某种密码运算生成一系列符号及代码组成电子密码进行签名，来代替书写签名或印章，对于这种电子式的签名还可进行技术验证，其验证的准确度是一般手工签名和图章的验证而无法比拟的。"数字签名"是目前电子商务、电子政务中应用最普遍、技术最成熟的、可操作性最强的一种电子签名方法。它采用了规范化的程序和科学化的方法，用于鉴定签名人的身份以及对一项电子数据内容的认可。它还能验证出文件的原文在传输过程中有无变动，确保传输电子文件的完整性、真实性和不可抵赖性。

数字签名在ISO7498-2标准中定义为："附加在数据单元上的一些数据，或是对数据单元所作的密码变换，这种数据和变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元来源和数据单元的完整性，并保护数据，防止被人（例如接收者）进行伪造"。美国电子签名标准（DSS，FIPS186-2）对数字签名作了如下解释："利用一套规则和一个参数对数据计算所得的结果，用此结果能够确认签名者的身份和数据的完整性"。按上述定义PKI（Public Key Infrastructino 公钥基础设施）提供可以提供数据单元的密码变换，并能使接收者判断数据来源及对数据进行验证。

PKI的核心执行机构是电子认证服务提供者，即通称为认证机构CA（Certificate Authority），PKI签名的核心元素是由CA签发的数字证书。它所提供的PKI服务就是认证、数据完整性、数据保密性和不可否认性。它的作法就是利用证书公钥和与之对应的私钥进行加/解密，并产生对数字电文的签名及验证签名。数字签名是利用公钥密码技术和其他密码算法生成一系列符号及代码组成电子密码进行签名，来代替书写签名和印章；这种电子式的签名还可进行技术验证，其验证的准确度是在物理世界中对手工签名和图章的验证是无法比拟的。这种签名方法可在很大的可信PKI域人群中进行认证，或在多个可信的PKI域中进行交叉认证，它特别适用于互联网和广域网上的安全认证和传输。

简单地说,所谓数字签名就是附加在数据单元上的一些数据,或是对数据单元所作的密码变换。这种数据或变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元的来源和数据单元的完整性并保护数据,防止被人(例如接收者)进行伪造。它是对电子形式的消息进行签名的一种方法,一个签名消息能在一个通信网络中传输。基于公钥密码体制和私钥密码体制都可以获得数字签名,目前主要是基于公钥密码体制的数字签名。包括普通数字签名和特殊数字签名。普通数字签名算法有RSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou- Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir数字签名算法、Des/DSA,椭圆曲线数字签名算法和有限自动机数字签名算法等。特殊数字签名有盲签名、代理签名、群签名、不可否认签名、公平盲签名、门限签名、具有消息恢复功能的签名等,它与具体应用环境密切相关。显然,数字签名的应用涉及到法律问题,美国联邦政府基于有限域上的离散对数问题制定了自己的数字签名标准(DSS)。

数字签名（Digital Signature）技术是不对称加密算法的典型应用。数字签名的应用过程是，数据源发送方使用自己的私钥对数据校验和或其他与数据内容有关的变量进行加密处理，完成对数据的合法“签名”，数据接收方则利用对方的公钥来解读收到的“数字签名”，并将解读结果用于对数据完整性的检验，以确认签名的合法性。数字签名技术是在网络系统虚拟环境中确认身份的重要技术，完全可以代替现实过程中的“亲笔签字”，在技术和法律上有保证。在公钥与私钥管理方面，数字签名应用与加密邮件PGP技术正好相反。在数字签名应用中，发送者的公钥可以很方便地得到，但他的私钥则需要严格保密。

数字签名主要的功能是：保证信息传输的完整性、发送者的身份认证、防止交易中的抵赖发生。

数字签名技术是将摘要信息用发送者的私钥加密，与原文一起传送给接收者。接收者只有用发送的公钥才能解密被加密的摘要信息，然后用HASH函数对收到的原文产生一个摘要信息，与解密的摘要信息对比。如果相同，则说明收到的信息是完整的，在传输过程中没有被修改，否则说明信息被修改过，因此数字签名能够验证信息的完整性。

数字签名是个加密的过程，数字签名验证是个解密的过程。

具有数字签名功能的个人安全邮件证书是用户证书的一种，是指单位用户收发电子邮件时采用证书机制保证安全所必须具备的证书。个人安全电子邮件证书是符合x509标准的数字安全证书，结合数字证书和S/MIME技术对普通电子邮件做加密和数字签名处理，确保电子邮件内容的安全性、机密性、发件人身份确认性和不可抵赖性。 具有数字签名功能的 个人安全邮件证书中包含证书持有人的电子邮件地址、证书持有人的公钥、颁发者(河南CA)以及颁发者对该证书的签名。个人安全邮件证书功能的实现决定于用户使用的邮件系统是否支持相应功能。目前， MS Outlook 、Outlook Express、Foxmail及河南CA安全电子邮件系统均支持相应功能。使用个人安全邮件证书可以收发加密和数字签名邮件，保证电子邮件传输中的机密性、完整性和不可否认性，确保电子邮件通信各方身份的真实性

签名密钥从数字证书有效期验证，根证书验证，CRL验证其合法性。服务器下发一串用于签名的密钥，通常是一串字符串，客户端需要将发送的数据按照一定的规则，结合密钥得到一个用于签名的字符串，并发送给服务端，服务端根据发来的数据和密钥用同样的方式生成签名和客户端的签名进行比对，如果一致，则认为数据是合法的否则认为数据不合法。

密钥的概括

密钥是一个巨大的数字，使用对称密码，公钥密码，消息认证码，数字签名等技术都需要密钥。密钥的大小不重要，重要的是密钥空间的大小，密钥空间越大，暴力破解越难，密钥空间大小由密钥长度决定。

密码的本质是把较长的秘密抽象成较短的秘密，即密码的安全是密钥的安全。数字签名分为签名过程和验证过程，签名时使用私钥，验证时使用公钥。加密过程刚好相反，加密时使用公钥，解密时使用私钥。

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什么是数字签名？简单来说，数字签名是公钥密码的逆应用：用私钥加密消息，用公钥解密消息。数字签名是为了证明对方发的信息并没有被更改过，但前提条件是你确认对方是可靠的，即你拥有的公钥确实是对方的公钥而不是其他人的公钥。而数字证书就是为了证明你拥有的公钥确实是对方的。

一、数字证书的用途

以上“数字签名”例子中，我们都默认了一个前提条件：女神拥有的确实是你的公钥，如果女神的公钥被别人调包了呢？继续上面的实例：如果女神的公钥被你的一个情敌调包换成情敌的公钥了，当你把表白和数字签名发给女神的过程中，情敌把信息拦截了，拦截后重新写了一份表白并用他自己的私钥生成数字签名（重复你的操作，只不过内容已经换成情敌的了）重新发给女神，这时女神并不知道“你”已经换成“情敌”了，那你就悲剧了哦。这时数字证书就起作用了，数字证书就是为了给女神证明发信人的身份的。

2数字证书包含的内容

在现实生活里，为了证明我们身份，公安机关会给每个人颁发一个身份证。在信息世界里，数字证书就是对方的身份证。同样的，数字证书也有专门的发证机关Certificate Authority，简称CA。发证机关颁发的数字证书里包含以下基本内容：

1证书颁发机关

2证书持有者名称/服务器域名

3证书有效期

4证书签名算法（摘要算法和加密算法）

5证书签名值

6证书所有者加密算法

7证书所有者公钥

二、数字证书如何验证

现实中要验证一个人的身份，首先核对这个人的身份证有效性，然后再核对本人相貌跟身份证上的照片是否一致。数字证书也是一样的验证思路：

1验证数字证书有效性

数字证书里包含了发证机关对这张证书的数字签名，而浏览器默认内置了发证机关的公钥（暂且这么理解），拿到公钥后先解密证书的数字签名拿到证书的摘要，然后浏览器用证书的摘要算法重新计算下证书的摘要，最后比对这两者的值是否相等，如果相等证明这张数字证书确实是发证机关颁发的有效证书。

三、验证“相貌”

如何验证该证书的所有者就是跟浏览器正在对话的网站呢？

数字证书包含了web网站服务器的一个或者多个域名，浏览器会验证该域名跟正在对话的服务器的域名是否匹配（防止MITM）。

四、数字证书的级联

颁发证书的机构是可以有级联关系的，即A机构可以委派B机构颁发证书，B机构也可以委派C颁发证书，如果网站的证书是C颁发的，那么需要用B的证书去验证C颁发的证书，同理需要用A机构的证书去验证B颁发的证书，这个过程是递归的，A机构的证书被称为“根证书”。“根证书”是配置在我们电脑上，默认是安全的。

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