【JavaWeb】消息摘要、数字签名与数字证书的区别

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前言

结合我之前写的【Java基础】加密与安全基础、【JavaWeb】浅谈接口安全设计指南(含源码) 【JavaWeb】如何优雅的实现第三方开放api接口签名(有状态/无状态)可以在看本文章时更加熟悉 “加密以及安全”的基础概念

一.消息摘要（Digest）

什么是消息摘要？

对一份输入数据进行一个不可逆的 Hash计算，生成一个固定长度的 Hash 值，这个值就是这份数据的摘要（Digest），也称为指纹。摘要算法（Digest）又称 哈希算法（Hash）

摘要算法

常见的摘要算法有 MD5、SHA-1、SHA-256等。

特点：

同一个摘要算法，无论输入的数据是什么，输出都是相同长度的值。如: MD5，无论数据有多大，输出总是128位的散列值。
摘要算法是不可逆的，只能根据原始数据计算出它的摘要值，但是不能根据摘要值反推出原始数据。
越优秀的摘要算法越难找到Hash碰撞。虽然长内容生成短摘要是必定会产生碰撞的，但一个优秀的摘要算法很难主动构造出两条数据，使得他们的摘要值相同。
相比加密算法(对称和非对称)，摘要算法速度都相对较快。

使用场景：校验数据(消息)的完整性 、 数字签名

消息完整性：由于每一份数据生成的MD5值不一样，因此发送数据时可以将数据和其MD5值一起发送，然后就可以用MD5验证数据是否丢失、修改。
安全访问认证：根据摘要算法不可逆性质，（就是无法从MD5值中恢复原数据）对账号登陆的密码进行MD5运算然后保存，这样可以保证除了用户之外，即使数据库管理人员都无法得知用户的密码。
数字签名：这是结合非对称加密算法和CA证书的一种使用场景。
一般破解方法：字典法，就是将常用密码生成MD5值字典，然后反向查找达到破解目的，因此建议使用强密码

以代码【Java工具类】摘要算法之MD5、SHA1工具类为例：将本地计算出文件的MD5，可以和数据源提供的MD5做对比，如果相同则文件是完整的。

Hash算法的简介可以查看文章【Java基础】加密与安全基础的第二节，有详细介绍

二.数字签名（digital signature）

1.概述

非对称加密体系中，如果用「公钥」对数据加密，用「私钥」去解密，这是「加密」；反之用「私钥」对数据加密，用「公钥」去解密，这是「签名」

加密与签名的使用场景不一样:

由于所有人都持有公钥，所以「签名」并不能保证数据的安全性，因为所有人都可以用公钥去解密。但「签名」却能用于保证消息的准确性和不可否认性。因为公钥和私钥是一一对应的，所以当一个公钥能解密某个密文时，说明这个密文一定来自于私钥持有者。

2.举例说明

鲍勃有两把钥匙，一把是公钥，另一把是私钥。
鲍勃把公钥送给他的朋友们----帕蒂、道格、苏珊----每人一把。

在这里插入图片描述

苏珊要给鲍勃写一封保密的信。她写完后用鲍勃的公钥加密，就可以达到保密的效果。
鲍勃收信后，用私钥解密，就看到了信件内容。这里要强调的是，只要鲍勃的私钥不泄露，这封信就是安全的，即使落在别人手里，也无法解密。
鲍勃给苏珊回信，决定采用"数字签名"。他写完后先用Hash函数，生成信件的摘要（digest）。
然后，鲍勃使用私钥，对这个摘要加密，生成"数字签名（signature）"。

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鲍勃将这个签名(signature)，附在信件下面，一起发给苏珊。
苏珊收信后，取下签名（signature），用鲍勃给的公钥解密，得到信件的摘要。由此证明，这封信确实是鲍勃发出的。

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苏珊再对信件本身使用Hash函数，将得到的摘要（digest），与上一步使用公钥解密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。
复杂的情况出现了。道格想欺骗苏珊，他偷偷使用了苏珊的电脑，用自己的公钥换走了鲍勃的公钥。此时，苏珊实际拥有的是道格的公钥，但是还以为这是鲍勃的公钥。因此，道格就可以冒充鲍勃，用自己的私钥做成"数字签名（signature）"，写信给苏珊，让苏珊用假的鲍勃公钥进行解密。

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后来，苏珊感觉不对劲，发现自己无法确定公钥是否真的属于鲍勃。她想到了一个办法，要求鲍勃去找"证书中心"（certificate authority，简称CA），为公钥做认证。证书中心用自己的私钥，对鲍勃的公钥和一些相关信息一起加密，生成"数字证书"（Digital Certificate）。
鲍勃拿到数字证书以后，就可以放心了。以后再给苏珊写信，只要在签名（signature）的同时，再附上数字证书就行了。
苏珊收信后，用CA的公钥解开数字证书，就可以拿到鲍勃真实的公钥了，然后就能证明"数字签名"是否真的是鲍勃签的。

3.签名和验证的流程

请求发送者

持有私钥和加密算法，称为信源，并用私钥和加密算法对明文数据进行加密，得到密文数据，称为签体sign
接着把明文数据和签体(密文数据)同时发给请求接收者

请求接收者

收到请求后，先取出签体(密文数据)，用公钥对密文解密，得到一份明文数据，再将解密后的明文数据和收到的明文数据做对比，如果相同则数据完整且可信。

即使他人截获并篡改了「明文数据」，由于「私钥」是保密的，篡改者也无法生成正确的「签体」。所以签名能保证消息的准确性。

但在单独使用非对称加密的数字签名方案时，要对所有明文消息进行加密，效率很低。怎么提高效率呢？

将摘要算法和非对称加密结合使用。

如何签名：先用摘要算法计算明文数据的摘要值，再对这个摘要值用私钥加密。这样就能较快速地得到了原始信息的签名；
如何验证：先用相同的摘要算法计算原始信息的摘要值，再用公钥对签名解密，得到收到的摘要值，最后对比这两个摘要值判断是否相等。如果不相等说明数据不可信。

三.数字证书（digital certificate）

1.概述

公钥是公开的并且可以自行导入到电脑，比如C偷偷在B的电脑用自己公钥C替换了A的公钥，然后用自己的私钥C给 B 发送Email，这时B收到邮件其实是被C冒充的但是他无法察觉。因此如果公钥本身都被篡改了，这个签名方案就不正确了。所以需要有某种方式确保公钥的正确性，这就是 "数字证书"。

因为任何人都可以生成自己的（公钥，私钥）对，所以为了防止有人散布伪造的公钥骗取信任，就需要一个可靠的第三方机构来生成经过认证的（公钥，私钥）对。目前，世界上最主要的数字服务认证商是位于美国加州的Verisign公司，它的主要业务就是分发RSA数字证书。

数字证书作用： 确保数据接收者的公钥是没有被篡改过的。

2.举例说明

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下面，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。

谷歌浏览器
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。

在这里插入图片描述

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。

3.数字证书验证流程

数字证书通常包含以下内容：

证书所有人的公钥;
证书发行者对证书的数字签名；
证书所用的签名算法；
证书发布机构、有效期、所有者的信息等其他信息。

数字证书的验证过程需要用到CA根证书 和业务相关证书，根证书是预装在操作系统中的。

CA根证书的生成

认证机构利用RSA等算法，生成一对 公钥K1 / 私钥K2
将 公钥K1和证书发布机构、有效期等信息组成一份原始的证书内容，设为 C1
利用某种摘要算法，计算原始内容 C1 的生成摘要H1
用第一步生成的私钥K2，对摘要H1签名，得到签名S1
将原始内容C1 和签名S1合在一起，就得到了证书。

K1、K2：认证机构生成的公钥、私钥
C1: 公钥K1+证书发布机构、有效期等信息组成的内容
H1： C1 生成的摘要
S1：私钥K2对摘要H1签名得到的结果
证书: 原始内容C1+签名S1

根证书安装在操作系统中，我们认为根证书是一定正确的。 如何验证根证书可靠性？
答案：无法验证。根证书是自验证证书，CA机构是获得社会绝对认可和有绝对权威的第三方机构，这一点保证了根证书的绝对可靠。如果根证书都有问题那么整个加密体系毫无意义。

业务相关证书的生成

企业利用RSA等算法，生成一对公钥K3 / 私钥K4；
将 公钥K3 j加证书其他内容组成原始证书内容C2，给到认证机构；
认证机构拿到 C2 后，利用摘要算法，生成摘要 H2
认证机构用自己的私钥K1 (这是关键点)，对摘要H2 签名，得到签名S2
将原始内容C2 和签名S2 合并到一起，得到证书，交给企业。

K2、K3：企业成的公钥、私钥
C2: 公钥K3+证书其他内容
H2： C2生成的摘要
S2：私钥K1对摘要H2签名得到的结果
证书: 原始内容C2+签名S2

区别点在于： 业务申请的证书，在签名时用的私钥是CA机构的私钥。这个私钥是和根证书中的公钥对应的。

数字证书的真伪验证

用根证书的公钥，可以验证其他证书的签名是否正确。如果签名正确，则证书是可信的、没有被篡改的。后续就可以使用这个被信任证书中包含的公钥，去验证收到的消息是否可信了。

假设甲公司要给乙公司发送一份机密的文件，那么这次传输需要确保以下几点：

1.文件内容不被泄露

甲公司对文件加密（对称加密）后，将加密后的文件发送给乙公司。乙公司只有使用甲公司提供的密钥A才可查看到文件内容。

2.要确保只有乙公司能接收

为了保证密钥A只有乙公司能接受到，甲公司将密钥A使用非对称加密算法进行二次加密，生成2个密钥，一个公钥一个私钥，公钥对外公开，而私钥甲公司自己保管。 用公钥加密的文件只能用私钥解密，而私钥加密的文件只能用公钥解密。

所以，当甲公司使用乙公司的公钥对密钥A加密时，乙公司只有使用正确私钥才可以解密，从而保障了密钥A传输安全，进而确保了只有乙公司才能使用密钥A查看到甲公司传输的文件内容。

3.怎样保证乙公司使用的公钥就是甲公司的

甲公司通过向CA机构申请并获得乙公司的公钥后，即可对密钥A进行加密，并确保确实是乙公司的公钥，从而确保只有乙公司使用其私钥才可以打开加密文件并查看内容。
- CA (Certificate Authority) ：全称证书管理机构，即数字证书的申请、签发及管理的权威机构。其主要功能为：产生密钥对、生成数字证书、分发密钥、密钥管理等。
- CA认证: 为电子签名相关各方提供真实可靠验证的电子认证服务。
  
  CA机构会为每个使用公开密钥的用户发放一个数字证书，以此来证明证书中列出的用户合法拥有证书中列出的公开密钥。同时，由CA机构提供的数字签名，会使黑客等无法伪造、篡改证书。
- 数字证书：是由CA机构颁发的证明（CA证书），它包含了公钥、公钥拥有者名称、CA 的数字签名、有效期、授权中心名称、证书序列号等信息。我们可以通俗的理解为数字证书是个人或企业在网络上的身份证。

如何验证根证书可靠性？

无法验证。根证书是自验证证书，CA机构是获得社会绝对认可和有绝对权威的第三方机构，这一点保证了根证书的绝对可靠。如果根证书都有问题那么整个加密体系毫无意义。

CA证书申请的签发过程

由服务方向CA机构提交组织信息、个人信息(域名)、公钥等信息并申请CA认证
CA机构收到申请后，会通过线上、线下等多种方法来验证申请人的信息是否真实
信息通过审核后，CA机构会为申请人签发认证文件证书，证书内容包括：申请人的公钥、组织信息和个人信息、CA签发机构信息、CA证书有效时间、CA证书序列号等信息的明文，同时包含一个CA机构签名
客户端（浏览器）向服务方的服务器发出请求时，服务方会返回证书文件
客户端（浏览器）会读取CA证书中相关明文信息，利用对应CA的公钥解密签名，通过一定的算法获得摘要并进行对比，如信息一致，就能确认证书的合法性，然后再验证证书的域名信息、有效期等等。
客户端（浏览器）会内置信任该 CA 证书信息，如果该CA证书不被信任，则会被判定为非法。

常用加密解密算法【RSA、AES、DES、MD5】介绍和使用