密码学 ~ 数字签名

2023-11-08

概念

数字签名（又称公钥数字签名）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，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。它是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术来实现的，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。

基本原理

为了理解得清楚，我们通过案例一步一步来讲解。话说张三有俩好哥们A、B。由于工作原因，张三和AB写邮件的时候为了安全都需要加密。于是张三想到了数字签名：

整个思路是这个样子的：

第一步：加密采用非对称加密，张三有三把钥匙，两把公钥，送给朋友。一把私钥留给自己。

第二步：A或者B写邮件给张三：A先用公钥对邮件加密，然后张三收到邮件之后使用私钥解密。

第三步：张三写邮件给A或者B：

（1）张三写完邮件，先用hash函数生成邮件的摘要，附着在文章上面，这就完成了数字签名，然后张三再使用私钥加密。就可以把邮件发出去了。

（2）A或者是B收到邮件之后，先把数字签名取下来，然后使用自己的公钥解密即可。这时候取下来的数字签名中的摘要若和张三的一致，那就认为是张三发来的，再对信件本身使用Hash函数，将得到的结果，与上一步得到的摘要进行对比。如果两者一致，就证明这封信未被修改过。

上面的流程我们使用一张图来演示一下：
首先把公钥送给朋友A和B：
在这里插入图片描述
还有就是最后一个比较麻烦的，张三给A或者B发邮件：

数字证书

上面提到我们对签名进行验证时，需要用到公钥。如果公钥是伪造的，那我们无法验证数字签名了，也就根本不可能从数字签名确定对方的合法性了。这时候证书就闪亮登场了。我们可能都有考各种证书的经历，比如说普通话证书，四六级证书等等，但是归根结底，到任何场合我们都能拿出我们的证书来证明自己确实已经考过了普通话，考过了四六级。这里的证书也是同样的道理。

如果不理解证书的作用，我们可以举一个例子，比如说我们的毕业证书，任何公司都会承认。为什么会承认？因为那是国家发得，大家都信任国家。也就是说只要是国家的认证机构，我们都信任它是合法的。

那么这个证书是如何生成的呢？我们再来看一张图：
在这里插入图片描述
此时即使张三的朋友A把公钥弄错了，张三也可以通过这个证书验证。

网页加密

我们看一个应用“数字证书”的实例：https协议。这个协议主要用于网页加密

首先，客户端向服务器发出加密请求。
在这里插入图片描述
服务器用自己的私钥加密网页以后，连同本身的数字证书，一起发送给客户端。

客户端（浏览器）的“证书管理器”，有“受信任的根证书颁发机构”列表。客户端会根据这张列表，查看解开数字证书的公钥是否在列表之内。
在这里插入图片描述
如果数字证书记载的网址，与你正在浏览的网址不一致，就说明这张证书可能被冒用，浏览器会发出警告。

如果这张数字证书不是由受信任的机构颁发的，浏览器会发出另一种警告。

如果数字证书是可靠的，客户端就可以使用证书中的服务器公钥，对信息进行加密，然后与服务器交换加密信息。
在这里插入图片描述

代码实现

package com.example.password_discipline.signDemo;


import com.example.password_discipline.ras.RsaDemo;
import com.sun.org.apache.xml.internal.security.utils.Base64;

import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.Signature;

public class SignDemo {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		String a = "123";
		String algorithm = "RSA";
		PrivateKey aPrivate = RsaDemo.getPrivate("a.pri", algorithm);
		PublicKey publuc = RsaDemo.getPubluc("a.pub", algorithm);
		String signature = getSignature(a, "sha256withrsa", aPrivate);
		System.out.println(signature);
		boolean sha256withrsa = verifySignature(a, "sha256withrsa", publuc, signature);
		System.out.println("校验签名：" + sha256withrsa);

	}

	private static String getSignature(String input, String algorithm, PrivateKey privateKey) throws Exception {
		// 获取签名对象
		Signature signature = Signature.getInstance(algorithm);
		signature.initSign(privateKey);
		signature.update(input.getBytes());
		// 开始签名
		byte[] sign = signature.sign();
		return Base64.encode(sign);
	}

	private static boolean verifySignature(String data, String algorithm, PublicKey publicKey, String signatureData)  throws Exception{
		// 获取签名对象
		Signature signature = Signature.getInstance(algorithm);
		signature.initVerify(publicKey);
		signature.update(data.getBytes());
		return signature.verify(Base64.decode(signatureData));

	}

}

Java