加密/解密/签名/证书-原理介绍

引言

在一些比较重要的应用场景中，通过网络传递数据需要进行加密以保证安全。本文将简单地介绍了加密解密的一些概念，以及相关的数字签名、证书。

加密和解密

说到加密，可能大家最熟悉的就是MD5了。MD5实际上只是一种散列运算，或者可以称为单向的加密，即是说无法根据密文（加密后的数据），推导出明文（原数据）。而我们下面要说明的，是在加密后可以进行解密、还原数据的。对于欲进行加密的对象，有的人称为消息，有的人称为数据，有的人称为信息，为了避免混淆，在本文后面部分，我统一将其称为消息。那么加密是什么呢？加密是通过对消息进行编码，建立一种安全的交流方式，使得只有你和你所期望的接收者能够理解。

那么怎么样才能叫安全呢？消息在接收方和发送方进行安全传递，一般要满足下面三个要点：

1. 消息的发送方能够确定消息只有预期的接收方可以解密(不保证第三方无法获得，但保证第三方无法解密)。
2. 消息的接收方可以确定消息是由谁发送的（消息的接收方可以确定消息的发送方）。
3. 消息的接收方可以确定消息在途中没有被篡改过（必须确认消息的完整性）。

加密通常分为两种方式：对称加密和非对称加密，接下来我们先看看对称加密。

对称加密

对称加密的思路非常简单，就是含有一个称为密钥的东西，在消息发送前使用密钥对消息进行加密，在对方收到消息之后，使用相同的密钥进行解密。根据密钥来产生加密后的消息（密文）的这一加工过程，由加密算法来完成，加密算法通常是公开的。它的流程如下：

1. 发送方使用密钥对消息进行加密。
2. 接收方使用同样的密钥对消息进行解密。

可以使用下面一副图来表示：

对称加密存在这样两个问题：

1. 虽然可以通过密钥来保证消息安全地进行传递，但是如何确保密钥安全地进行传递？因为发送者和接收者总有一次初始的通信，用来传递密钥，此时的安全如何保证？
2. 接收者虽然可以根据密钥来解密消息，但因为存在上面的问题，消息有可能是由第三方（非法获得密钥）发来的，而接收方无法辨别。

为了解决上面两个问题，就需要介绍一下非对称加密。

非对称加密

非对称加密的接收者和发送者都持有两个密钥，一个是对外公开的，称为公钥，一个是自行保管的，称为私钥。非对称加密的规则是由某人A的公钥加密的消息，只能由A的私钥进行解密；由A的私钥加密的消息只能由A的公钥解密。此时我们可以得出接收方、发送方有两个公钥两个私钥一共四个密钥，我们先看看两种简单的方式，这两种方式都是只使用两个密钥。

第一种模式只使用接收方的公钥和私钥，称为加密模式。

加密模式

在加密模式中，由消息的接收方发布公钥，持有私钥。比如发送方要发送消息“hello,jimmy”到接收方，它的步骤是：

1. 发送方使用接收者的公钥进行加密消息，然后发送。
2. 接收方使用自己的私钥对消息进行解密。

可以使用下面一幅图来描述：

在这种模式下，如果第三方截获了发送者发出的消息，因为他没有接收者的私钥，所以这个消息对他来说毫无意义。可见，它能够满足本文最开始提出的消息安全传递的要点一：消息的发送方能够确定消息只有预期的接收方可以解密(不保证第三方无法获得，但保证第三方无法解密)。

除此以外，因为接收方的公钥是公开的，任何人都可以使用这个公钥来加密消息并发往接收者，而接收者无法对消息进行判别，无法知道是由谁发送来的。所以，它不满足我们开始提出的消息安全传递的要点二：消息的接收方可以确定消息是由谁发送的（消息的接收方可以确定消息的发送方）。

这个问题可以在下面的认证模式中得到解决。

认证模式

在认证模式中，由消息的发送方发布公钥，持有私钥。比如发送者要发送消息“Welcome to Tracefact.net”到接收者，它的步骤是：

1. 发送者使用自己的私钥对消息进行加密，然后发送。
2. 接收者使用发送者的公钥对消息进行解密。

可以用下面一副图来表述：

在这种模式下，假如发送方叫做Ken，接收方叫做Matthew，因为Matthew只能使用Ken的公钥对消息进行解密，而无法使用Molly、Sandy或者任何其他人公钥对消息进行解密，所以他一定能够确定消息是由Ken发送来的。因此，这个模式满足了前面提出的消息安全传递的要点二。

与此同时，因为Ken的公钥是公开的，任何截获了该消息的第三方都能够使用Ken的公钥来对消息进行解密，换言之，消息现在是不安全的。因此，与加密模式正好相反，它无法满足前面提出的消息安全传递的要点一。

而不管是采用加密模式还是认证模式，都没有解决加密解密中的要点三：接收方必须能够确认消息没有被改动过。为了解决这个问题，又引入了数字签名。

数字签名

基本实现

数字签名实际上就是上面非对称加密时的认证模式，只不过做了一点点的改进，加入了散列算法。大家比较熟悉的散列算法可能就是MD5了，很多开源论坛都采用了这个算法。散列算法有三个特点：一是不可逆的，由结果无法推算出原数据；二是原数据哪怕是一丁点儿的变化，都会使散列值产生巨大的变化；三是不论多么大或者多么少的数据，总会产生固定长度的散列值（常见的为32位64位）。产生的散列值通常称为消息的摘要（digest）。

那么如何通过引入散列函数来保证数据的完整性呢？也就是接收方能够确认消息确实是由发送方发来的，而没有在中途被修改过。具体的过程如下：

1. 发送方将想要进行传递的消息进行一个散列运算，得到消息摘要。
2. 发送方使用自己的私钥对摘要进行加密，将消息和加密后的摘要发送给接收方。
3. 接收方使用发送方的公钥对消息和消息摘要进行解密(确认了发送方)。
4. 接收方对收到的消息进行散列运算，得到一个消息摘要。
5. 接收方将上一步获得的消息摘要与发送方发来的消息摘要进行对比。如果相同，说明消息没有被改动过；如果不同，说明消息已经被篡改。

这个过程可以用下面的一副图来表述：

我们可以看出，数字签名通过引入散列算法，将非对称加密的认证模式又加强了一步，确保了消息的完整性。除此以外，注意到上面的非对称加密算法，只是对消息摘要进行了加密，而没有对消息本身进行加密。非对称加密是一个非常耗时的操作，由于只对消息摘要加密，使得运算量大幅减少，所以这样能够显著地提高程序的执行速度。同时，它依然没有确保消息不被第三方截获到，不仅如此，因为此时消息是以明文进行传递，第三方甚至不需要发送方的公钥，就可以直接查看消息。

为了解决这样的问题，只需要将非对称加密的认证模式、加密模式以及消息摘要进行一个结合就可以了，这也就是下面的高级模式。

高级实现

由于这个过程比上面稍微复杂了一些，我们将其分为发送方和接收方两部分来看。先看看发送方需要执行的步骤：

1. 将消息进行散列运算，得到消息摘要。
2. 使用自己的私钥对消息摘要加密(认证模式：确保了接收方能够确认自己)。
3. 使用接收方的公钥对消息进行加密(加密模式：确保了消息只能由期望的接收方解密)。
4. 发送消息和消息摘要。

接下来我们看一下接收方所执行的步骤：

1. 使用发送方的公钥对消息摘要进行解密(确认了消息是由谁发送的)。
2. 使用自己的私钥对消息进行解密(安全地获得了实际应获得的信息)。
3. 将消息进行散列运算，获得消息摘要。
4. 将上一步获得的消息摘要 和 第一步解密的消息摘要进行对比(确认了消息是否被篡改)。

可以看到，通过上面这种方式，使用了接收方、发送方全部的四个密钥，再配合使用消息摘要，使得前面提出的安全传递的所有三个条件全都满足了。那么是不是这种方法就是最好的呢？不是的，因为我们已经说过了，非对称加密是一种很耗时的操作，所以这个方案是很低效的。实际上，我们可以通过它来解决对称加密中的密钥传递问题，如果你已经忘记了可以翻到前面再看一看，也就是说，我们可以使用这里的高级实现方式来进行对称加密中密钥的传递，对于之后实际的数据传递，采用对称加密方式来完成，因为此时已经是安全的了。

证书机制

与数字签名相关的一个概念就是证书机制了，证书是用来做什么呢？在上面的各种模式中，我们一直使用了这样一个假设，就是接收方或者发送方所持有的、对方的公钥总是正确的（确实是对方公布的）。而实际上除非对方手把手将公钥交给我们，否则如果不采取措施，双方在网络中传递公钥时，一样有可能被篡改。那么怎样解决这个问题呢？这时就需要证书机制了：可以引入一个公正的第三方，当某一方想要发布公钥时，它将自身的身份信息及公钥提交给这个第三方，第三方对其身份进行证实，如果没有问题，则将其信息和公钥打包成为证书（Certificate)。而这个公正的第三方，就是常说的证书颁发机构（Certificate Authority）。当我们需要获取公钥时，只需要获得其证书，然后从中提取出公钥就可以了。