【密码学】数字签名
一、数字签名的基本概念
数字签名是一种用于验证电子文档完整性和身份认证的密码学技术。它通过使用公钥加密体系中的私钥对文档的一部分（通常是文档的摘要）进行加密，从而创建一个“签名”。这个签名可以附在文档上，或作为一个单独的文件。
在生成数字签名前，通常会先使用哈希函数（如SHA-256）将原始消息转换成一个固定长度的摘要。这样做的目的是为了提高效率和安全性，因为直接对长消息进行签名可能非常耗时且不安全。
二、数字签名算法
数字签名方案由三个算法构成，这个三个步骤共同构成了数字签名的基础，确保了数据的完整性和不可抵赖性，以及发送者身份的验证。
（1）密钥生成算法
生成一对密钥的过程，包括一个私钥（private key）和一个公钥（public key）。私钥用于签名，而公钥用于验证签名。这一过程通常涉及随机数生成器来确保密钥的安全性和独特性。
- 公钥：可以公开，用于加密信息或验证数字签名。
- 私钥：需要保密，用于解密信息或生成数字签名。
（2）签名算法
使用发送者的私钥对消息摘要进行加密，生成数字签名。签名后，将签名附加到原始消息上一起发送。
【注】谁签名就用谁的私钥来加密，而且是对摘要加密而不是文件。
（2）验证算法
接收者使用发送者的公钥对数字签名进行解密，得到一个解密后的摘要。接收者同时使用相同的哈希函数对收到的消息再次进行哈希处理，得到一个新的摘要。
比较这两个摘要是否相同：
- 如果相同，则证明消息在传输过程中没有被篡改，并且确实是发送者发出的。
- 如果不同，则说明消息可能已被篡改或并非来自声称的发送者。
三、数字签名的安全性
数字签名必须保障以下几点：
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数据完整性：数字签名可以确保数据在传输过程中未被篡改。当发送方使用其私钥对数据的摘要（通常是通过哈希算法产生的）进行加密时，接收方可以使用发送方的公钥解密这个摘要，并且用自己的哈希算法对收到的数据重新生成摘要。如果两个摘要匹配，那么可以确定数据在传输过程中没有被修改。
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身份认证：数字签名提供了发送方的身份认证。由于只有持有正确私钥的人才能生成有效的数字签名，因此接收到有效签名的接收方可以确信数据确实来自声称的发送方。
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不可否认性：数字签名可以防止发送方否认其发送的数据。由于数字签名是使用发送方的私钥创建的，发送方无法否认该签名，因为这相当于否认自己私钥的有效性。这种特性对于商务交易、法律文件和其他需要责任追溯的场合尤其重要。
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时间戳：数字签名还可以包含时间戳，证明文档是在特定时间之前签署的。这对于某些法律要求或合同条款可能很重要，以确定文档的有效性或合规性。
为了实现上述功能，数字签名通常结合了非对称加密（公钥/私钥对）、哈希函数和证书颁发机构（CA）来验证公钥的所有权。
四、数字签名与消息认证的对比
（1）消息认证
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目的：消息认证的主要目的是验证消息的完整性和确认消息的来源。它确保消息在传输过程中未被篡改，并且来自声称的发送方。
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技术：消息认证通常使用消息认证码（MAC）来实现。MAC是使用共享密钥对消息进行加密产生的一个固定长度的值，接收方使用相同的密钥和消息来重新计算MAC，然后与接收到的MAC进行比较，以验证消息的完整性和来源。
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隐私性：MAC本身并不提供消息的机密性，即它不加密消息的内容。因此，通常需要结合使用对称加密来保护消息内容的隐私。
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适用场景：MAC适用于需要快速验证消息真实性和完整性的场景，尤其是在共享密钥已经安全分发的前提下。
（2）数字签名
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目的：数字签名不仅验证消息的完整性和来源，还提供了不可否认性（Non-repudiation），即发送者不能否认他发送了该消息。此外，数字签名还可以验证消息的创建时间，防止重放攻击。
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技术：数字签名使用公钥加密技术，发送者使用自己的私钥对消息或消息的散列值进行加密，生成数字签名。接收者使用发送者的公钥解密数字签名，验证消息的真实性和完整性。
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隐私性：数字签名本身也不提供消息内容的机密性，但它可以与对称加密结合使用，以确保消息的隐私。
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适用场景：数字签名适用于需要提供高度安全和法律效力的场景，如电子合同、法律文件、财务交易等，其中不仅需要验证消息的来源和完整性，还需要确保发送者对消息的发送行为负责。
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