電子認(rèn)證技術(shù)原理初探

文｜曹煬

自我國(guó)電子簽名法頒布以來(lái)，電子認(rèn)證技術(shù)獲得較大的發(fā)展，有效保障了信息化安全。但是在建設(shè)行業(yè)信息化中，這項(xiàng)技術(shù)才剛剛開(kāi)始普及，很多信息工作從業(yè)者也僅僅是聽(tīng)到了這個(gè)概念。它是什么技術(shù)原理？如何應(yīng)用？并沒(méi)有深入了解，本文試圖用最通俗易懂的文字，為大家介紹它的原理和概念。

一、電子認(rèn)證技術(shù)起源

1．古代通訊加密與身份識(shí)別模式雛形

加密通信技術(shù)起源很早。在中國(guó)古代，公元前1000年西周姜子牙所著《六韜》中，就講述了采用“陰符”方法進(jìn)行秘密通信。不同陰符的長(zhǎng)度表示不同的含義，三寸為慘敗、四寸為主將戰(zhàn)死、五寸為請(qǐng)?jiān)?、六寸為死守、七寸為敵退、八寸為敵降、九寸為敵將亡。這些陰符的具體意思只有國(guó)君和主將知道，即便傳輸中落入敵手也不會(huì)泄露機(jī)密。這種方式，是早期典型的對(duì)稱體系加密方式。

圖1 Scytale

古希臘軍隊(duì)在公元前700年，使用一種Scytale棒，是一種對(duì)字母換位加密的方法，把羊皮紙做成長(zhǎng)帶子形狀，纏繞在一個(gè)固定粗細(xì)的圓木棍上，在上面寫下要傳遞的信息，然后接下羊皮帶子，此時(shí)上面是一些雜亂的符號(hào)。接收者只需用同樣粗細(xì)的木棍，用同樣的方式纏繞一遍，即可還原出信息原文。這種Scytale棒可以理解為古人較早就使用的加密機(jī)。如圖1。

《六韜》中還記錄了陰書的使用，即一份文件（陰書）被拆成多人傳遞，收件人要等所有陰書片稿到齊，才能明白所表達(dá)的意思。這種拆解信息文的模式，在目前備份密鑰的過(guò)程中仍在使用。

虎符可以被看做早期的身份識(shí)別手段?；⒎话悴捎勉~、銀等金屬制造，在虎符的背面，刻有符號(hào)和經(jīng)書，表示級(jí)別、權(quán)利范圍（調(diào)度軍隊(duì)的多少）等?；⒎环譃槎?，一半在將領(lǐng)手中，一半在君王手中，調(diào)度軍隊(duì)時(shí)，特遣員需持君王的虎符去頒布調(diào)令，將領(lǐng)領(lǐng)任務(wù)后，需“合符”進(jìn)行確認(rèn)。如圖2。

2．近代通訊加密技術(shù)的發(fā)展

通信加密技術(shù)的第一次繁榮，是在16世紀(jì)左右，此時(shí)歐洲大地上到處充斥著宗教之爭(zhēng)，很多教義不得不加密傳播。換位加密法與替換加密法由于適合歐洲的文字特點(diǎn)，得到很大的應(yīng)用。換位加密采用變化字母的順序來(lái)加密，替換加密法則是用一個(gè)字母替換另一個(gè)字母進(jìn)行加密。為了應(yīng)對(duì)這種方法，教派中的數(shù)學(xué)家們引入了古阿拉伯人所采用的密碼分析學(xué)（以字母使用頻率為線索的分析方法）來(lái)進(jìn)行破解。此時(shí)的歐洲大陸，加密技術(shù)與解密技術(shù)交替發(fā)展，不僅推出了維吉尼亞（Vigenere）密碼為代表的多表密碼替換方法，也催生了“黑室”這樣專門用來(lái)解密的機(jī)構(gòu)。如圖3。

圖2 虎符

第二次世界大戰(zhàn)中，密碼學(xué)再一次獲得了質(zhì)的飛躍，傳統(tǒng)的人工、簡(jiǎn)單機(jī)械加密方式被復(fù)雜機(jī)械、電氣設(shè)備加密所取代。最新的數(shù)學(xué)成果應(yīng)用，很多都是首先被應(yīng)用到密碼學(xué)中，語(yǔ)言學(xué)家、棋類大師也都被裹挾到這場(chǎng)“密碼戰(zhàn)爭(zhēng)”中。德國(guó)研發(fā)了“隱秘”密碼打字機(jī)，“洛倫茲”密碼電傳機(jī)，日本使用“紫色”密碼打字機(jī)等，各類密碼設(shè)備令人眼花繚亂。如圖4。

二、現(xiàn)代密碼學(xué)發(fā)展

二戰(zhàn)后計(jì)算機(jī)的發(fā)展，推動(dòng)現(xiàn)代密碼學(xué)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。以往的加密手段，根本無(wú)法應(yīng)對(duì)高速計(jì)算機(jī)的暴力試算。與此同時(shí)，信息論（美國(guó)學(xué)者Shannon于1949年創(chuàng)立）的創(chuàng)立，也為密碼技術(shù)增添了更加廣闊的視角，一切文字、圖像、音視頻都是保護(hù)的對(duì)象，同時(shí)也可能是加密的手段。在逐漸的演化發(fā)展中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到一個(gè)事實(shí)：密碼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很有可能是被敵人所探知的，而只要進(jìn)行密碼操作的關(guān)鍵因素（即：密鑰）不被泄露，那么加密體系依然安全（科考夫原則）。這樣，人們開(kāi)始著手簡(jiǎn)化密碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)逐步調(diào)整為對(duì)密鑰的設(shè)計(jì)。加解密的算法開(kāi)放為可以面向大眾公開(kāi)下載，公開(kāi)檢驗(yàn)的模式。

圖3

時(shí)至今日，密碼學(xué)主要包含三類算法。

1、對(duì)稱算法：

指加密密鑰與解密密鑰相同的算法。交易雙方使用同一套密鑰。這種該種算法根據(jù)每次加解密的長(zhǎng)度，又分為流密碼算法和分組密碼算法。

常見(jiàn)流密碼算法主要有RC4算法。

常見(jiàn)的分組密碼算法包括：DES、IDEA、RC2、AES、SM4等。

其中SM4為國(guó)家密碼管理局推薦的國(guó)產(chǎn)密碼算法。

2、非對(duì)稱算法：

指加密密鑰和解密密鑰不相同的算法。加解密密鑰成對(duì)存在，從一個(gè)不能推演出另一個(gè)，但由一個(gè)密鑰加的密，可以由（也是唯一由）另一個(gè)解密。兩個(gè)密鑰中一個(gè)嚴(yán)格保密，稱為私鑰，另一個(gè)可以被公開(kāi)，發(fā)給其他人，稱為公鑰。所以非對(duì)稱算法又稱為公鑰算法或公開(kāi)密鑰算法。非對(duì)稱算法最簡(jiǎn)單的例子為右移1位算法：26 字母首位相接，A-〉B，B-〉C，…，Z-〉A(chǔ)，那么右移1位加密后，再右移25位即可解密。1和25就是不相同的一對(duì)密鑰。（所以當(dāng)有人給你發(fā)右移一位的“jmpwfzpv”時(shí)，一定記得右移25位來(lái)解密）。

圖4 密碼機(jī)

常見(jiàn)的非對(duì)稱算法包括：RSA、DH、DSA、ECDSA、ECC、SM2等。

其中，SM2為國(guó)家密碼管理局推薦的國(guó)產(chǎn)密碼算法。

3、摘要算法

摘要算法是把長(zhǎng)的信息數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的信息數(shù)據(jù)（摘要數(shù)據(jù)）的一類算法。同一個(gè)算法中原始數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)短的唯一數(shù)據(jù)流，但唯一數(shù)據(jù)流不能反推出原始數(shù)據(jù)。比如學(xué)校里流行的字母加值算法暗語(yǔ)中，如果1=A，2=B，…Z=26；27=A，…，52=Z，53=A……的約定中，那么“ILOVEYOU”，的摘要值就是9+12+15+5+25+15+21=102，為X。摘要值又稱為散列值、哈希值。

常見(jiàn)的摘要算法包括：MD5、SH1、SM3 等。

其中，SM3為國(guó)家密碼管理局推薦的國(guó)產(chǎn)密碼算法。

圖5 電子認(rèn)證服務(wù)許可證

三、電子認(rèn)證技術(shù)原理與法律依據(jù)

我們已經(jīng)知道，當(dāng)代密碼管理的最重要的是密鑰管理，一個(gè)用戶擁有了一對(duì)公鑰和私鑰后，就可以進(jìn)行數(shù)字簽名和信息加解密。但是，其他人怎么知道這個(gè)公鑰是屬于哪個(gè)用戶的呢？于是，在PKI（Public Key Infrastructure）體系中引入數(shù)字證書的理念，用來(lái)解決密鑰和用戶的映射關(guān)系。數(shù)字證書包括了這個(gè)公鑰信息、用戶信息、證書頒發(fā)者自己的數(shù)字簽名。（簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是把用戶、公鑰、發(fā)證人這三者放在了一起）。這個(gè)證書頒發(fā)者簡(jiǎn)稱CA（Certificate Authority），又稱CA中心。那么，大家會(huì)問(wèn)，這個(gè)CA值得信賴嗎，為什么它發(fā)的證書就有效呢？那么，我們就需要追溯一下CA自己的證書是誰(shuí)頒發(fā)的。在我國(guó)，網(wǎng)絡(luò)信任的原點(diǎn)是國(guó)家密碼管理局的根證書，只要一層一層找到這個(gè)證書就是正規(guī)的。但是并不是所有在國(guó)密局入根的機(jī)構(gòu)都可以對(duì)外進(jìn)行第三方電子認(rèn)證服務(wù)。這些機(jī)構(gòu)還需要獲得國(guó)家工業(yè)和信息化部所頒發(fā)的《電子認(rèn)證服務(wù)許可證》。在我國(guó)獲得這個(gè)資格的單位并不多，也不可能太多。它們都是以CA機(jī)構(gòu)的身份在開(kāi)展工作。比如專注于金融行業(yè)的CFCA，專注于建設(shè)行業(yè)的CSCA等。很多大集團(tuán)自己內(nèi)部建立了CA，自己集團(tuán)內(nèi)部發(fā)發(fā)證沒(méi)有問(wèn)題，如果拿出來(lái)用在社會(huì)上，就需要大家識(shí)別一下下面這個(gè)證件了。如圖5。

那么，密鑰丟了怎么辦？如果自己的私鑰丟了，那么以前用公鑰加密的所有文件都打不開(kāi)了。這怎么辦？在CA中心內(nèi)部，有一個(gè)系統(tǒng)叫做KMC（Key Management Center），是專門管理密鑰的。對(duì)外發(fā)的私鑰，可以在這里備份。那么新的問(wèn)題出現(xiàn)了，一方面為防止加密文件打不開(kāi)，要把私鑰備份；另一方面私鑰代表個(gè)人身份，為防止身份冒用，不應(yīng)該被復(fù)制，太糾結(jié)了。在這種需求下，PKI引入了雙證證書機(jī)制，一個(gè)證書只用來(lái)簽名，一個(gè)證書只用來(lái)加密。加密證書的公私鑰由CA中心產(chǎn)生，私鑰可以備份，而簽名證書的公私鑰由用戶自己產(chǎn)生，私鑰不能備份。

既然CA機(jī)構(gòu)來(lái)管理證書，那么它叫要提供證書生命周期各階段的管理，才好為廣大使用者服務(wù)。我們先看如何申請(qǐng)證書。PKI體系引入了RA（Registry Authority）這個(gè)理念，RA又稱作RA中心或用戶注冊(cè)中心，專門用來(lái)負(fù)責(zé)用戶證書辦理、用戶身份審核、制作證書。就是我們把身份證明材料發(fā)給RA中心，說(shuō)明用途，RA中心就可以給我們發(fā)證了。很多場(chǎng)合下，RA也提供自動(dòng)化發(fā)證的手段，供業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接調(diào)用，但是把RA僅僅被理解為一個(gè)證書注冊(cè)系統(tǒng)，這其實(shí)還是有些偏差的。

CA公司存儲(chǔ)著所有的證書，供用戶隨時(shí)下載。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)嚴(yán)重的性能瓶頸，于是 PKI又 引 入 LDAP（Light-weight Directory Access Protocol）技術(shù)，通過(guò)LDAP對(duì)外提供訪問(wèn)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)中的用戶，都可以在這里找到發(fā)送方的證書用來(lái)驗(yàn)證信息。

當(dāng)用戶私鑰泄露或丟失的時(shí)候，需要將該證書迅速吊銷，避免發(fā)生糾紛。那么其他用戶怎么知道該證書失效了呢，PKI體系設(shè)計(jì)了CRL（Certificate Revocation List） 吊 銷 列 表，這個(gè)列表也稱為證書黑名單，這里記錄了失效證書的清單和下次CRL的生成時(shí)間，當(dāng)然整個(gè)文件本身也是被CA中心簽過(guò)名的。用戶定期獲得CRL，就可以知道在目前最新的證書有效情況。如果在兩次CRL更新之間，用戶想查詢一下證書的狀態(tài)，PKI體系還設(shè)計(jì)了OCSP（Online Certificate Status Protocol）協(xié)議，用來(lái)響應(yīng)客戶的實(shí)時(shí)查詢。如圖6。

我們?cè)倏纯磾?shù)字證書具體怎么發(fā)揮作用。公鑰和私鑰的組合，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的商務(wù)行為產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。主要應(yīng)用在四個(gè)方面：

圖6 RA部署結(jié)構(gòu)

1.身份認(rèn)證：網(wǎng)絡(luò)交易中，雙方互不認(rèn)識(shí)，首要就是確定對(duì)方身份。由于CA在給用戶頒發(fā)數(shù)字證書時(shí)，已經(jīng)鑒定過(guò)對(duì)方的真實(shí)身份，并以CA簽名的方式將用戶信息寫入到數(shù)字證書中，因此，數(shù)字證書可以作為網(wǎng)絡(luò)中的身份證。在交易中，用戶只需要出示該證書，對(duì)方通過(guò)判斷證書真?zhèn)?，即可辨別用戶的身份。

2.信息保密：由于公私鑰對(duì)的唯一對(duì)應(yīng)，用戶只需要用對(duì)方的公鑰加密要傳遞的文檔并發(fā)送，對(duì)方收到后，用自己的私鑰解開(kāi)即可還原。而這個(gè)過(guò)程，其他人由于沒(méi)有解密私鑰是解不開(kāi)的。

3.完整性：使用發(fā)送者的私鑰對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，而對(duì)方使用發(fā)送者的公鑰進(jìn)行驗(yàn)證，即可知道在發(fā)送的過(guò)程中，文檔是否被篡改或干擾失真。

4.扛抵賴性：交易過(guò)程中，發(fā)送者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簽名，交易完成后卻不認(rèn)賬了。接收者只需用發(fā)送者的公鑰驗(yàn)證其簽名，即可證明該交易是誰(shuí)操作的。2005年4月1日，我國(guó)頒布了《中華人民共和國(guó)電子簽名法》，對(duì)經(jīng)過(guò)可靠電子簽名的網(wǎng)絡(luò)交易給予法律的認(rèn)可。從而，電子簽名后的文檔同紙質(zhì)簽名一樣，再不可被抵賴掉。