网络协议——HTTPS（2）数字签名与数字证书

一、数字签名

数字签名（英文：Digital Signature）类似于我们写在纸上的手写签名，它的诞生主要是为了解决如下问题：

1. 证明该文件（或信息）是由你发送的。

2. 证明该文件（或信息）没有被他人篡改过。

其实，我们生活中手写签名的纸质合同也是通过各种形式达到上面2个效果（如：合同一式多份，每份合同都有双方签名等）。

数字签名利用了《对称与非对称加密算法》中介绍的“非对称加密算法”，签名和验证签名的过程如下图（图中的“认证”部分不是数字签名必须的，在“数字证书”部分会介绍）：

假设“李四”要发送一份数据给“张三”：

发送者“李四”对数据生成摘要信息（摘要明文A），然后使用“李四”的“私钥”加密摘要信息；接收者“张三”收到加密的摘要信息之后：

1. 使用“李四”的“公钥”对加密的摘要信息进行解密。若能解密则证明签名是由“李四”所签，这是因为只有“李四”的“私钥”加密的数据才能由“李四”的“公钥”解密，而又只有“李四”才有“李四”的“私钥”。
2. 并将数据使用相同的摘要算法自己也生成一份摘要信息（摘要明文B），然后比较A和B。若两者相等，则证明了该数据内容没有被他人篡改过。

通过上面的过程我们可以知道：

1. 数字签名具有合法性的前提条件是用于加密散列值的“私钥”没有被泄露。

2. 数字签名不负责数据的加密，若要防止数据被他人窥视，则还要结合其他手段，如使用接收者的“公钥”对数据进行加密等。

如何获取签名者的公钥？如何保证获得的公钥就是签名者的，而不是他人的？基于这些问题，数字签名需要结合后面介绍的数字证书来使用（也就是上图中的“认证”文件）。

二、 数字证书

有了上面的公开密钥算法（也就是“非对称加密算法”）之后，我们就可以通过他人的公开密钥（公钥）与其安全通信了，但是还有一些悬而未决的问题：

• 如何获取那些从未谋面的人的公钥？
• 如何存储和吊销这些公钥？
• 如何确保获取的公钥就是那个人的？

公钥基础设施（public key infrastructure, 简称KPI）就是为了解决这个问题而建立的。PKI的目标就是为了实现不同成员在不见面的情况下进行安全通信的，我们当前采用的PKI模型是基于可信的第三方机构，也就是“证书颁发机构”（certification authority，简称CA）签发的证书。证书中存储了使用“证书颁发机构”的私钥加密之后的申请者的公钥信息。

2.1 数字证书的申请

数字证书需要向“证书颁发机构”提交申请，并通过审核之后才能颁发。因为数字证书中存储的是申请者的公钥，所以如果申请者的私钥丢失或泄漏，就需要向“证书颁发机构”申请注销该证书。

Web服务器向CA申请证书的流程大致如图：

“证书”中主要包含了经过“证书颁发机构”的私钥加密过后的申请者的“公钥”、“证书有效期”、“申请者信息（如域名等）”。更详细的信息，可以参考《HTTPS权威指南》 第3.3.1章节。

2.2 数字证书的验证

以“Chrome浏览器”为例：

浏览器会内置各大著名的“证书颁发机构”的“公钥”，当收到Web服务器返回的“服务器证书”后，Chrome会尝试使用内置的该“证书颁发机构”的“公钥”来解密该证书，如果能解密则说明该证书是“证书颁发机构”颁发的，且没有被篡改过的。然后通过解密所得的“域名”、“证书有效期”来校验该证书是否为该网站所有，是否过期等。

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