一文彻底搞懂公钥密码、数字签名和数字证书
一文彻底搞懂公钥密码、数字签名和数字证书
在当今数字化时代，信息安全已成为各行各业关注的焦点。公钥密码、数字签名和数字证书作为保障信息安全的核心技术，它们是如何工作的？又如何相互配合以确保数据的安全传输和身份验证？本文将为您详细解析这些关键技术的基本概念、工作原理及其实际应用。
1. 概述
要彻底搞懂公钥密码、数字签名和数字证书，我们需要从它们的基本概念、工作原理以及实际应用等方面进行详细探讨。在探讨之前，可以看一下三种技术的概览。
技术 | 简介 | 主要解决的问题 | 重点 |
|---|---|---|---|
公钥密码 | 一种非对称加密技术 | 对称密码存在密钥配送问题（要在通信双方之间的不安全通道上共享密钥，很难做到！），公钥密码根本不需要密钥配送，从根本上解决了此问题 | 用公钥加密，用私钥解密 |
数字签名 | 一种将现实世界中的盖章签字的功能在计算机世界中进行实现的技术 | 使用数字签名可以识别篡改、伪装，并可以防止否认 | 消息到底是谁写的 |
数字证书 | 一种类似现实世界中驾照的技术，上面记有姓名、组织、邮箱等个人信息，以及属于此人的公钥，并由认证机构进行数字签名 | 解决了数字签名中用于验证签名的公钥必须属于真正的发送者这一难题（即使数字签名算法再强大，如果 你得到的公钥是伪造的，一切皆徒劳！） | 为公钥加上数字签名 |
2. 公钥密码
公钥密码，又称非对称密钥密码，是一种加密技术，使用一对密钥：公钥和私钥。公开密钥用于加密信息，而私钥用于解密信息。这种机制确保了即使公钥被公开，信息的安全性仍然得到保障，因为没有私钥无法解密信息。
公钥加密算法的安全性基于一些数学难题（如大数分解、离散对数等），这些数学问题目前没有有效的算法可以快速解决，因此保证了公钥密码体制的安全性。
公钥密码的加密和解密过程如下：
- 发送方使用接收方的公钥加密信息，然后将加密后的信息发送给接收方；
- 接收方使用自己的私钥解密信息，得到原始信息。
公钥密码主要用于以下应用场景：
- 数据传输加密：如HTTPS协议；
- 数字签名：用于验证信息来源和完整性；
- 数字证书：用于身份验证和加密通信。
从以上应用场景可见，公钥密码是数字签名和数字证书的基础。
3. 数字签名
数字签名是基于公钥密码体制的一种技术，用于验证数据的完整性和身份的真实性。它通过以下三个基本特征来实现：
- 报文鉴别：接收者能够核实发送者对报文的签名；
- 报文的完整性：接收者不能伪造对报文的签名或更改报文内容；
- 不可否认性：发送者事后不能抵赖对报文的签名。
数字签名通常包括以下几个步骤：
- 计算摘要：发送方用哈希算法生成报文的摘要；
- 摘要加密：发送方用自己的私钥对摘要进行加密，形成数字签名；
- 摘要验证：接收方用发送方的公钥对签名进行解密，得到摘要，并用同样的哈希算法重新生成摘要进行比对，以验证报文的完整性和真实性。
数字签名广泛应用于以下场景：
- 电子邮件：用于验证邮件发送者的身份；
- 电子合同：用于证明合同的签署者身份和合同内容；
- 电子发票：用于验证发票的真实性和完整性。
4. 数字证书
数字证书是由权威机构（CA）颁发的一种电子文档，用于在网络中验证用户的身份和提供数据加密服务。数字证书通常遵循X.509标准，包含以下主要部分：
- 证书所有者的公开密钥：用于加密通信双方的数据。
- 证书有效期：证书的有效时间段。
- 证书颁发机构（CA）的签名：证明证书的真实性和有效性。
数字证书在X.509标准中的具体结构和组成部分可以参阅《轻松掌握X.509数字证书全解析，附赠权威详解资料！》。
数字证书的工作原理如下：
- 证书持有者向CA申请证书，提供个人信息和公钥；
- CA验证申请者的身份和公钥，然后生成数字证书，并在证书上签名；
- 证书持有者将数字证书用于身份验证和加密通信。
CA机构或授权的注册机构（RA）对证书申请人进行身份鉴别，包括核查有效身份证明文件、授权代表的授权文件和身份证件等。CA机构会复核申请材料，并拒绝不符合要求或高风险的申请。
数字证书广泛应用于以下场景：
- 网站安全：如HTTPS协议；
- 电子邮件安全：如S/MIME协议；
- 移动设备安全：如手机支付、移动办公等。
5. 参考技术标准
- GB/T 21053-2023 信息安全技术 公钥基础设施 PKI系统安全技术要求.pdf
- GB/T 20518-2018 信息安全技术 公钥基础设施 数字证书格式.pdf
- GB/T 25056-2018 信息安全技术 证书认证系统密码及其相关安全技术规范.pdf
- GB/T 31508-2015 信息安全技术 公钥基础设施 数字证书策略分类分级规范.pdf
6. 总结
公钥密码、数字签名和数字证书三者紧密相连，共同保障了信息安全，其中：
- 公钥密码：提供了加密和解密的基础；
- 数字签名：确保了信息的完整性和真实性；
- 数字证书：通过CA的权威性验证了实体的身份。
这些技术在互联网通信、电子商务、电子政务等领域发挥着至关重要的作用。理解这些基本概念及其工作原理对于维护网络安全至关重要。