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加密與安全_密鑰體系的三個核心目標之完整性解決方案

密鑰體系的三個主要目標

機密性：確保第三者無法通過密文猜測出明文。
完整性：確保第三者無法篡改原文內容。
不可否認性：確保第三者不能冒充其他人發送消息。

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概述

1. 解釋消息認證碼的基本概念及其局限性。
2. 介紹數字證書及其在身份認證中的重要性。
3. 解釋CA的角色和PKI的基本概念。
4. 描述CA的主要功能及證書的層級結構。
5. 討論證書在安全通信中的必要性。
6. 說明信任CA的原因。

在消息認證碼中，我們可以證明消息沒有發生過篡改。但卻無法證明這個消息就是 Alice 發給 Bob 的。 因為計算消息認證碼所需的數據，Bob 和 Alice 都有，所以從理論上 Bob 是可以偽造這條"消息"的。

如果想做到消息的"無可抵賴性"，就需要證明"Alice 是 Alice"。證書體系應運而生，就用在證明"我是我"的場景中。

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不可否認性

不可否認性確保消息的發送者不能否認曾經發送過消息，這通常通過數字簽名實現。

數字簽名（Digital Signature）

定義：數字簽名是一種基于非對稱密碼技術的認證機制，用于驗證消息的發送者身份和消息的完整性。

工作原理：

1. Alice使用自己的私鑰對消息的哈希值進行加密，生成數字簽名，并將消息和數字簽名一起發送給Bob。
2. Bob使用Alice的公鑰對數字簽名進行解密，得到消息的哈希值，并計算接收到的消息的哈希值。
3. Bob比較兩個哈希值，若相同，則確認消息完整且由Alice發送。

優點：

• 提供身份認證和完整性驗證。
• 防止發送者否認發送過消息。

應用場景：

• 安全電子郵件、數字合同、軟件分發等需要驗證身份和完整性的場景。

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證書是什么

證書是數字世界中的"身份證"，證書中標記了姓名、組織、郵箱和地址等個人信息，以及屬于這個人的公鑰。

僅僅有這些信息還不足以讓數字證書變成身份證，證書最關鍵的一個環節是經過"CA"認證并且施加了數字簽名。換言之，CA 認定這個證書就是屬于某個人的，在數字世界中無法抵賴。

為什么 CA 有這么大的權力呢？ CA 有能力頒發證書，所以就有能力認定:“這個公鑰的確屬于某人”。某種意義上，我們信任數字證書更大程度上是信任 CA 中心。

證書使用流程

所有 CA 必須是可信的第三方。典型的證書使用流程是這樣的

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PKI

在證書體系中，為了能夠有效的運用公鑰而制定了一系列的規范，這些規范構成了證書體系的基礎，因此被統稱為 PKI(Public-Key Infrastructure)

PKI 和其他規范一樣，只是規范規格，并沒有強制如何實現。所以很多組織和公司自行實現了里面的細節，所以從理論上說我們每個人都可以自行實現一套 PKI 規范，這樣你也可以成為一個 CA 中心。

但是如何得到廣泛大多數人的承認，這個是最復雜也是最重要的一步。

一般來說 PKI 有三個要素:

• 用戶(使用 PKI 的人)
• 認證機構(CA，也就是頒發證書的人)
• 倉庫(保存所有證書信息的地方)

用戶就不說了，倉庫就是保存證書的數據庫，用戶從倉庫獲取證書。

CA

下面我們說 CA

CA 最重要的幾個功能:

• 生成密鑰對。 首先，密鑰對可以由用戶自己生成，也可以由 CA 來生成。
• 注冊證書。CA 會核對用戶身份。當核對成功后，CA 使用自己的私鑰來對用戶的公鑰數據進行數字簽名，生成復合 X.509 規范的證書。
• 作廢證書和 CRL。當用戶私鑰丟失或者丟失時，CA 可以及時宣告證書作廢。數字證書的作廢并不是登報聲明就能完成，而是會登記在一個證書作廢清單(CRL)中。用戶需要及時更新 CRL 內容，當需要驗證的證書在 CRL 中時，就會按照作廢處理。

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證書層級

在最開始的時候，CA 對 Bob 的公鑰進行了認證，并生成了證書。 此時的證書由兩層，一層是 CA，另外一層是 Bob 公鑰

多級證書

在實際情況中，證書會有很多層。上面一層負責給下面一層進行認證，而最上面的那一層就稱為 Root CA(根 CA)

除去根 CA 和最底層的 Bob 之外，其余的中間 CA 就稱為證書鏈(上面證明下面，就像一個認證鏈所以稱為證書鏈)

證書鏈是如何完成認證的？

根證書怎么證明呢？ 既然稱之為根證書那就說明上面已經沒有其他 CA 了。 此時此刻，根證書就需要自簽名進行認證

由此可見，根證書的私鑰絕對不能泄露。一旦泄露，就可以偽造出完整的證書鏈，那么這個 CA 就算是徹底廢了

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其他疑問

1. Alice能直接獲取Bob的公鑰，是否還需要證書？

即使Alice能直接獲取Bob的公鑰，仍然需要證書來驗證公鑰的真實性。獲取公鑰的通道可能不安全，可能被中間人攻擊（Man-in-the-Middle Attack）篡改公鑰。證書通過CA的簽名，確保公鑰確實屬于Bob，防止偽造和篡改。

2. 為什么即使能直接獲取公鑰也需要加密？

即使Alice能通過安全通道直接獲取Bob的公鑰，仍需要加密通信來保護數據的機密性和完整性。加密可以防止數據在傳輸過程中被第三方竊取或篡改。證書體系通過驗證公鑰的真實性，確保加密通信的安全性。

3. 使用約定的非公開加解密方式通訊，是否還需要證書？

使用非公開的加解密方式并不安全。以下是原因：

• 算法的安全性：私有算法可能存在未被發現的漏洞，容易被攻擊。公開算法經過廣泛審查和測試，更加安全。
• 保密性：即使算法保密，也難以抵御高級攻擊者。公開算法通過算子保密，實現更高的安全性。

4. 公開算法與私有算法的安全性對比

公開算法的優勢：

• 廣泛測試：公開算法經過學術界和工業界的廣泛測試，安全性更高。
• 透明性：算法公開透明，易于發現和修復漏洞。
• 標準化：公開算法遵循標準，確保互操作性和兼容性。

私有算法的劣勢：

• 不透明：算法未公開，可能存在未發現的安全漏洞。
• 信任問題：依賴于開發者的能力和誠信，難以獲得廣泛信任。
• 難以維護：私有算法難以與其他系統集成，維護成本高。

5. 信任CA的必要性

信任CA類似于信任政府發行的貨幣。CA通過簽發和管理證書，為公鑰提供信用背書，確保公鑰的合法性和真實性。若不信任CA，需要自行驗證每個證書節點的合法性，實際上等同于CA的工作。因此，信任CA可以簡化驗證過程，提高效率和安全性。