加密、解密、数字签名和数字证书概念详解
1. 概述
随着电子商务的迅速发展，信息安全已成为焦点问题之一，尤其是网上支付和网络银行对信息安全的要求显得更为突出。为了能在因特网上开展安全的电子商务活动，公开密钥基础设施（PKI, Public Key Infrastructure）逐步在国内外得到广泛应用。我们是否真的需要PKI，PKI究竟有什么用？下面通过一个案例一步步地来剖析这个问题。
2. 案例
2.1 案例内容
甲想将一份合同文件通过Internet发给远在国外的乙，此合同文件对双方非常重要，不能有丝毫差错，而且此文件绝对不能被其他人得知其内容。如何才能实现这个合同的安全发送？
2.2 问题1
问题1:最自然的想法是，甲必须对文件加密才能保证不被其他人查看其内容。那么，到底应该用什么加密技术，才能使合同传送既安全又快速呢?
可以采用一些成熟的对称加密算法,如DES、3DES、RC5等对文件加密。对称加密采用了对称密码编码技术，对称加密的特点是文件加密和解密使用相同的密钥，即加密密钥也可以用做解密密钥，这种方法在密码学中叫做对称加密算法，
2.3 问题2
问题2:如果黑客截获此文件，是否用同一算法就可以解密此文件呢?
不可以，因为加密和解密均需要两个组件:加密算法和对称密钥，加密算法需要用一个对称密钥来解密，黑客并不知道此密钥。
2.4 问题3
问题3:既然黑客不知密钥，那么乙怎样才能安全地得到其密钥呢？用电话通知，若电话被窃听，通过Internet 发此密钥给乙，可能被黑客截获，怎么办?
方法是用非对称密钥算法加密对称密钥后进行传送。与对称加密算法不同，非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（Public Key）和私有密钥（Private Key）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫做非对称加密算法(公/私钥可由专门软件生成)。甲乙双方各有一对公/私钥，公钥可在Internet上传送，私钥自己保存。这样甲就可以用乙的公钥加密问题1中提到的对称加密算法中的对称密钥。即使黑客截获到此密钥，也会因为黑客不知乙的私钥，而解不开对称密钥，因此也解不开密文，只有乙才能解开密文。（注意：这里是乙生成非对称算法的公钥和私钥，乙将私钥保存在自己的手中，然后将公钥发给甲，公钥是公开的，谁都可以截获/获得）。
2.5 问题4
问题4：既然甲可以用乙的公钥加密其对称密钥，为什么不直接用乙的公钥加密其文件呢？这样不仅简单，而且省去了用对称加密算法加密文件的步骤？
不可以这么做。因为非对称密码算法有两个缺点:（1）加密速度慢，比对称加密算法慢10～100倍，因此只可用其加密小数据(如对称密钥)；（2）非对称加密后会导致得到的密文变长。因此一般采用对称加密算法加密其文件，然后用非对称算法加密对称算法所用到的对称密钥。
2.6 问题5
问题5：如果黑客截获到密文（甲发送给乙的用自己的对称密钥加密的文件），同样也截获到用公钥加密的对称密钥（甲用乙的公钥加密的自己的对称密钥），由于黑客无乙的私钥，因此他解不开对称密钥，但如果他用对称加密算法加密一份假文件，并用乙的公钥加密一份假文件的对称密钥，并发给乙，乙会以为收到的是甲发送的文件，会用其私钥解密假文件，并很高兴地阅读其内容，但却不知已经被替换。换句话说，乙并不知道这不是甲发给他的，怎么办?
答案是用数字签名证明其身份。数字签名是通过散列算法（Secure Hash Algorithm，缩写为SHA，也称为Hash或者哈希，也称为杂凑），如MD5、SHA-1等算法从大块的数据中提取一个摘要。而从这个摘要中不能通过散列算法恢复出任何一点原文，即得到的摘要不会透露出任何最初明文的信息，但如果原信息受到任何改动，得到的摘要却肯定会有所不同（摘要是通过Hash算法得到的，相同信息的不同算法得到的摘要是不同的）。因此甲可以对文件进行散列算法得到摘要，并用自己的私钥加密(因为非对称算法可逆，即用私钥可解开公钥加密的文件，反之亦然)，这样即使黑客截获也无用。因为黑客不会从摘要内获得任何信息，但乙却不一样，他可用甲的公钥解密，得到其摘要(如果用甲的公钥能够解开此摘要，说明此摘要肯定是甲发的，因为只有甲的公钥才能解开用甲的私钥加密的信息，而甲的私钥只有甲自己知道)，并对收到的文件(解密后的合同文件)也进行同样的散列算法，通过比较其摘要是否一样，就可得知此文件是否被篡改过(因为若摘要相同，则肯定信息未被改动，这是散列算法的特点)。这样不仅解决了证明发送人身份的问题，同时还解决了文件是否被篡改问题。（注意：摘要不是加解密，摘要只能用于对比，看是否相同）
2.7 问题6
问题6：通过对称加密算法加密其文件，再通过非对称算法加密其对称密钥，又通过散列算法证明其发送者身份和其信息的正确性，这样是否就万无一失了?
回答是否定的。问题在于乙并不能肯定他所用的所谓甲的公钥一定是甲的（这里的公钥是指甲发送给乙用于解密摘要的公钥）。假如丙也有自己的公钥私钥，如果丙替换了甲手中乙的公钥，然后丙用自己的私钥给乙发送数据，这个时候乙是不知道他收到的数据时来自丙。为了解决这个问题就出现了证书，解决办法是用数字证书来绑定公钥和公钥所属人，以此来证明公钥确实是甲的公钥。
数字证书是一个经证书授权中心（CA）数字签名的包含公开密钥拥有者信息以及公开密钥的文件，是网络通信中标识通信各方身份信息的一系列数据，它提供了一种在 Internet上验证身份的方式，其作用类似于司机的驾驶执照或日常生活中的身份证，人们可以在交往中用它来识别对方的身份。
一般情况下证书中包括公开密钥、名称、密钥的有效时间、发证机关(证书授权中心)名称、该证书的序列号等信息。它是由一个权威机构—CA(Certificate Authority)机构，又称为证书授权中心发放的。
CA机构作为电子商务交易中受信任的第三方，承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任。CA中心为每个使用公开密钥的用户发放一个数字证书，数字证书的作用是证明证书中列出的用户合法拥有证书中列出的公开密钥。CA机构的数字签名使得攻击者不能伪造和篡改证书，CA是PKI的核心，负责管理PKI结构下的所有用户（包括各种应用程序）的证书，把用户的公钥和用户的其他信息捆绑在一起，在网上验证用户的身份。
这样理解可能更简单点，CA机构它也有一对公钥和私钥，证书机构用它的私钥将甲的公钥和一些甲的信息加密得到数字证书。然后甲发送数据给乙时，包含了三个部分：原文+数字签名+数字证书，注意，现在乙不持有甲的公钥，乙持有的是证书机构的公钥，通过证书机构的公钥解密数字证书拿到乙的公钥，然后在重复之前的过程计算数字签名，跟发来的数字签名比对。但是有同样的一个问题：如果乙现在持有的证书机构的公钥被别人替换呢？这个过程是建立在被大家所认可的证书机构之上得到的公钥，意思就是说，我们默认证书机构是安全的，所以这是一种安全的方式。
2.8 问题7
问题7：至此似乎很安全了。但仍存在安全漏洞，例如：甲虽将合同文件发给乙，但甲拒不承认在签名所显示的那一时刻签署过此文件(数字签名就相当于书面合同的文字签名)，并将此过错归咎于电脑，进而不履行合同，怎么办?（签名时间不一致）
解决办法是采用可信的时钟服务(由权威机构提供)，即由可信的时间源和文件的签名者对文件进行联合签名。在书面合同中，文件签署的日期和签名一样均是十分重要的防止文件被伪造和篡改的关键性内容(例如合同中一般规定在文件签署之日起生效)。在电子文件中，由于用户桌面时间很容易改变(不准确或可人为改变)，由该时间产生的时间戳不可信赖，因此需要一个第三方来提供时间戳服务（数字时间戳服务（DTS）是网上安全服务项目，由专门的机构提供）。此服务能提供电子文件发表时间的安全保护。
时间戳产生的过程为:用户首先将需要加时间戳的文件用哈希编码加密形成摘要，然后将该摘要发送到DTS，DTS在加入了收到文件摘要的日期和时间信息后再对该文件加密（数字签名），然后送回用户。因此时间戳(time-stamp)是一个经加密后形成的凭证文档，它包括三个部分：需加时间戳的文件的摘要，DTS收到文件的日期和时间，DTS的数字签名。由于可信的时间源和文件的签名者对文件进行了联合签名，进而阻止了文档签名的那一方(即甲方)在时间上欺诈的可能性，因此具有不可否认性。
2.9 问题8
问题8:有了数字证书将公/私钥和身份绑定，又有权威机构提供时钟服务使其具有不可否认性，是不是就万无一失了？不，仍然有问题。乙还是不能证明对方就是甲，因为完全有可能是别人盗用了甲的私钥(如别人趁甲不在使用甲的电脑)，然后以甲的身份来和乙传送信息，这怎么解决呢？
解决办法是使用强口令、认证令牌、智能卡和生物特征等技术对使用私钥的用户进行认证，以确定其是私钥的合法使用者。
以认证令牌举例:假设用户的私钥被保存在后台服务器的加密容器里，要访问私钥，用户必须先使用认证令牌认证（如用户输入账户名、令牌上显示的通行码和PIN等），如果认证成功，该用户的加密容器就下载到用户系统并解密。
通过以上问题的解决，就基本满足了安全发送文件的需求。下面总结一下这个过程，对甲而言整个发送过程如下:
- 创建对称密钥(相应软件生成，并且是一次性的)，用其加密合同，并用乙的公钥打包对称密钥。
- 创建数字签名，对合同进行散列算法(如MD5算法)并产生原始摘要，甲用自己的私钥加密该摘要(公/私钥既可自己创建也可由CA提供，公钥和私钥要能对应起来)。
- 甲将自己的一些公钥信息发送给CA机构，CA机构通过你的信息给你提供数字证书。
- 最后，甲将加密后的合同、打包后的密钥、加密后的摘要，以及甲的数字证书(由权威机构CA签发)一起发给乙。
而乙接收加密文件后，需要完成以下动作 :
- 接收后，用乙的私钥解密得到对称密钥，并用对称密钥解开加密的合同，得到合同明文。
- 通过甲的数字证书和CA机构的公钥获得属于甲的公钥，并用其解开摘要(称做摘要1)。
- 对解密后的合同使用和发送者同样的散列算法来创建摘要(称做摘要2)。
- 比较摘要1和摘要2，若相同，则表示信息未被篡改，且来自于甲。
甲乙传送信息过程看似并不复杂，但实际上它由许多基本成分组成，如：对称/非对称密钥密码技术、数字证书、数字签名、证书发放机构（CA）、公开密钥的安全策略等，这其中最重要、最复杂的是证书发放机构（CA）的构建。
在此强调下证书和签名：
证书实际对于非对称加密算法（公钥加密）来说的，一般证书包括公钥、姓名、数字签名三个部分。证书好比身份证，证书机构（ca）就好比是公安局，职责就是负责管理用户的证书也就是身份证。比如我的公钥是FrankKey，姓名是FrankXuLei。公安局可以给我登记，但是怎么保证我和别的FrankXuLei区别开呢，于是公安局（证书机构）就使用我的名字和密钥做了个组合，再使用一种哈希算法，得出一串值，来标识我的唯一性，这个值就是我的身份证号码，也就是证书里的数字签名（消息摘要），同时为了不能让黑客仿造数字证书，数字证书的发行者用自己的私钥对数字签名进行加密，这样，使用该数字证书的网络交易实体就可以用证书发行者的公钥进行解密验证。（即：证书中数字签名的目的是证明自己的身份的确是真实的自己而非其他人，所以需要用自己的私钥进行加密，让使用者用公钥进行解密验证，从而从技术上杜绝了伪造自己的黑客。）
所以说加密不一定要证书，取决于你数据安全具体的需求。一般大型的电子商务网站都有自己特定的证书。证书管理的机构比较有名的就是VeriSign（可以说是互联网上的身份证管理局）。
