什么是签名验签，以及非对称加密算法的使用
什么是签名验签，以及非对称加密算法的使用
在信息安全领域，加密技术是保护数据隐私和安全传输的核心手段。其中，非对称加密算法和签名验签机制是两种重要的加密方式。本文将详细介绍非对称加密的基本原理、签名验签的具体实现方式，以及它们在实际应用中的区别和联系。
1. 非对称加密算法
非对称加密中关于公钥、私钥的一些规则：
- 公钥加密的数据只有私钥能解开，即私钥只能解开自己对应公钥加密的数据。
- 私钥加密的数据只有公钥能解开，即公钥只能解开自己对应私钥加密的数据。
- 公钥可以有很多个，并且是公开的；私钥只有一个，并且不公开。
- 公钥是基于私钥而存在的，通过私钥经过一系列算法是可以推导出公钥，但无法通过公钥反向推导出私钥。
以上规则得出的结论：假设你有一把私钥和公钥，你给你的朋友ABCD一人一把公钥。
- 实现数据加密：如果你要加密一份信息，那很简单，只需要让你的朋友使用你给的公钥加密该信息即可，这样除了你手里的私钥，没有人能解密这份数据。
- 实现身份鉴别：如果你想要以自己的名义给朋友们发送信息，可以用私钥将该信息加密，这样你的朋友们就可以用你给的公钥解开这份数据，以此你的朋友们就能确定这份数据是你发的而不是其他人发的（因为只有你才能用私钥加密，如果使用你的公钥能解开接收到的加密信息，就证明信息就是你发的），这就好像你在信息上签了个名似的。
以上两种实现方式可能存在的问题：
- 实现身份鉴别（即签名验签）过程中，如果公钥是不可信任的：如果公钥被攻击者篡改，攻击者使用自己对应的私钥加密数据，再冒充你进行发送信息，你的朋友发现可以使用当前公钥（已被篡改的）可以解密数据，误以为此信息是由你发送。
- 实现数据加密过程中，如果公钥是不可信任的：如果公钥被攻击者篡改，你的朋友使用攻击者的假公钥加密数据后发送给你，假如攻击者截获了你朋友发送的信息，再使用自己的私钥就可以解密数据，从而造成敏感信息泄露。
非对称密钥体制：即公钥体制不能防御中间人攻击，即上述两个问题，所以应当辅以身份鉴别机制，我们可以借助权威第三方CA机构颁发的电子证书来帮助鉴别，因此就有了CA证书的概念，如果我们信任CA机构，也就是我们信任CA机构所信任的（假设你朋友和你不互相信任，但你朋友信任CA机构，而CA机构可以提供能证明你身份的证书，因此你朋友可以信任你，即信任手里的公钥就是你的）。
2. 签名验签
签名：发送方使用消息摘要算法（例如MD5）对发送的报文原文生成消息摘要，然后用自己的私钥对这个摘要进行加密，得到的密文就是这个报文原文对应的数字签名。通常来说，发送方会把数字签名和报文原文一并发送给接收方，用于接收方对报文原文生成消息摘要，比较二者是否一致，以判断数据是否被篡改。
验签：接收方同时接收报文原文和数字签名后，会使用发送方的公钥对数字签名进行解密，这个过程就被称为验签。成功解密后得到一个消息摘要A，同时使用相同的消息摘要算法（例如MD5）对报文原文进行hash处理，得到一个消息摘要B，最后对比报文摘要A和报文摘要B是否一致，即可确定报文原文是否被篡改过。
数字签名：非对称加密搭配对称加密使用，实现数字签名，常见的方式如RSA搭配SHA256。
数字签名的作用：
- 保证数据的真实性：如果接收方使用发送方的公钥能够成功解密出数据（即验签），就证明该数据是发送方发送的，因为别人没有发送方的私钥，加密不了数据，就生成不了签名，即假冒不了发送方的签名。
- 保证数据的完整性：如果接收方对发送方发送的报文原文使用消息摘要算法（例如MD5）生成hash值，和公钥解密出来的消息摘要一致，就证明数据没有被篡改。
3. 签名和加密的区别
区分签名和加密的概念：
- 签名：目的是为了验证身份，检查篡改，防止重放攻击（可通过加时间戳或者nonce的方式），防止中间人假装自己对外发送假信息，不需要对数据进行加密处理（因为加密了也没有，公钥是公开的，谁都可以解密），因此需要私钥进行加密（签名），用公钥进行解密（验签）。（谁都可以解密，但是只有自己能够加密）。
- 加密：目的是将明文变成密文进行传输，防止消息在传输中被人破解，因此使用公钥加密（谁都可以加密，但是只有自己能够解密），使用私钥解密。
总结：公钥加密、私钥解密；私钥签名（加密）、公钥验签（解密）。
为什么加密时使用公钥加密，私钥解密：既然是加密，那么只有自己能够解密，即只有自己拥有私钥，将公钥进行公开，所有人都可以使用该公钥进行加密，但是只有自己能够解密。如果自己使用私钥不能够进行解密，那么对应的密文也就不是使用自己的公钥进行加密的，即信息已经被篡改。另外，即使使用自己的公钥加密后的密文被窃取，别人也不能够进行解密。
为什么签名时使用私钥加密，公钥解密：既然是签名，那么只有自己能够加密，即只有自己拥有私钥，将公钥进行公开，所有人都可以使用该公钥进行解密，但是只有自己能够加密。如果其他人使用该公钥不能够进行解密（即验签不通过），即对应的密文就不是使用自己的私钥进行加密的，即信息已经被篡改。
4. 双向认证
数据伪造问题：非对称加密由于公钥公开，攻击者拿到公钥，截获客户端发来的消息，然后使用公钥加密伪造一份数据，然后发送给服务器。非对称加密只保证了数据的加密性（即攻击者无法解密数据），这里涉及到数据的完整性和真实性，如果想要解决此类问题，可结合身份验证措施和签名机制。
解决方案：
- 使用双向认证：服务器要求客户端进行身份验证，即客户端也需要提供CA证书给服务器进行认证。
- 引入数字签名：加密和验签同时使用，即发送方和接收方各自有一个公私钥，这样确保了内容即不会被读取（解决明文传输问题），也不会被篡改。发送方用自己的私钥完成数字签名，同时使用接收方的公钥完成报文数据的加密（不推荐），生成密文随同数字签名一同发送给接收方。接收方使用自己的私钥对密文进行解密，得到明文后生成消息摘要A，再使用发送方的公钥进行验签，得到消息摘要B，二者进行比较，确保发送方身份和数据的准确性。
5. 混合加密以及密钥交换
为什么不使用非对称加密的公钥直接对报文数据进行加密：
- 加密效率问题：非对称加密（例如RSA、ECC等）由于其复杂的数学计算，导致其加密速度比对称加密算法（例如AES、DES）要慢得多，影响通信效率。
- 服务端无法加密问题：客户端使用公钥加密的数据确实只有对应的私钥才能解密，但是服务器发送给客户端的数据则不能使用公钥加密，因为客户端没有私钥（私钥不能公开，因为可根据私钥推导出公钥），更不能使用私钥加密，因为公钥公开，任何人都可以解密。
**非对称加密 + 对称加密混合加密方式，实现密钥交换：**前端在发送登录请求时对用户名和密码进行加密，前端生成随机密钥，配合对称加密算法对用户登录数据进行加密，然后使用接收方传输过来的公钥再对随机密钥进行加密，随后将数据密文同密钥密文一同传递给后端，后端接收方通过自己的私钥解密出密钥明文，再用此密钥解密用户的密文数据。
可能存在的问题：此时接收方（即服务器）传输给发送方（即客户端）的公钥存在被攻击者篡改的问题，即前面提到的公钥体制不能防御中间人攻击的问题。因此在SSL/TLS加密协议实现的HTTPS加密传输中就引入了数字签名CA证书的概念，就是对服务器的公钥进行签名验签，保证服务器公钥的真实性。