理清弄透：加密&解密、签名&验签

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理清弄透：加密&解密、签名&验签

2019 年 4 月 20 日 待字闺中

加密&解密、签名&验签，在区块链、钱包等领域应用甚广，背后的原理或细节是什么？这里通过图文并茂的故事，外加撸代码的方式，一起理清弄透这4个概念。

一、故事角色和人设

正式开始之前，先介绍一下本文的主人翁Bob。他有2把秘钥：公钥、私钥；生活中，他会遇到3种类型的人：朋友Alice、骗子Doug、可信任的公证人CA。Bob的公钥是公开的，所有人都可见，私钥仅Bob自己可见。

Bob有2把秘钥：公钥BobPub、私钥BobPri

Bob会遇到3类人：Alice、CA、Doug是每类的代表

二、对称加密&解密

故事角色和人设交代清楚后，主人翁Bob遇到了第一个棘手难题：平时通过一款聊天App与朋友Alice联系，某一天收到一份神秘邮件，里面明文写满了历史聊天内容。吓一大跳，还好没聊隐私的事情。惊吓之后，Bob想到了第一个办法：

棘手难题1：明文聊天，网络传输过程中被劫持，有窃听风险；

解决办法1：与Alice约定一个暗号串，对聊天消息加密后再发送；

→ 具体操作步骤如下：

Alice 与 Bob 两人事先约定一个共用密钥key；
Alice 将消息用key加密，将密文邮递给 Bob；
Bob 收到密文后，用key解密，看到明文；

→ 这个过程用到的其实是密码学中的对称加密，实现代码如下：

var crypto = require('crypto');
// Encryptfunction encrypt(str, key) {  var cipher = crypto.createCipher('aes192', key);  var enc = cipher.update(str, 'utf8', 'hex');  enc += cipher.final('hex');  return enc;}
// Decryptfunction decrypt(str, key) {  var decipher = crypto.createDecipher('aes192', key);  var dec = decipher.update(str, 'hex', 'utf8');  dec += decipher.final('utf8');  return dec;}
var msg = 'Hey Bob, how about lunch at Taco Bell.';
// Both Bob and Alice have the same keyvar key = 'aceport';
// Aliceencrypted_msg = encrypt(msg, key);console.log(encrypted_msg);
// Bobdecrypted_msg = decrypt(encrypted_msg, key);console.log(decrypted_msg);

三、非对称加密&解密

Alice是个开朗的姑娘，朋友很多，很快把Bob发明的加密聊天传播给了其它朋友。同时，Alice又是个粗心的姑娘，与所有朋友聊天都用了同一个暗号串。美好的日子没过多久，Bob又收到一份神秘邮件，里面除了满写满了明文聊天内容之外，还多了一串👻👻👻。大惊之后，Bob找极客朋友请教，找到了克服暗号串误漏的方法：

棘手难题2：共用秘钥key极易泄漏，最终导致消息内容泄漏；

解决办法2：使用基于公钥+私钥的非对称加密算法；

→ 具体操作步骤如下：

Alice 将消息用Bob公钥BobPub加密，将密文邮递给 Bob；
Bob 收到密文后，用自己的私钥BobPri解密，看到明文；

→ 非对称加密算法，实现代码如下：

const ursa = require('ursa');const fs = require('fs');
msg = "Hey Bob, how about lunch at Taco Bell.";
// Alice has Bob's public keyvar BobPub = ursa.createPublicKey(fs.readFileSync('./key/BobPub'));console.log('Encrypt with Bob Public Key');encrypted_msg = BobPub.encrypt(msg, 'utf8', 'base64');console.log('encrypted:', encrypted_msg, '\n');
// Bob has his private keyvar BobPri = ursa.createPrivateKey(fs.readFileSync('./key/BobPri'));decrypted_msg = BobPri.decrypt(encrypted_msg, 'base64', 'utf8');console.log('decrypted:', decrypted_msg, '\n');

四、签名&验签

自从用了非对称加密消息，由于其它人没有Bob的私钥，无法解密，再没收到神秘邮件。为解被调戏之辱，Bob决定向神秘人回了一封38个👻表情符号的邮件。

对抗与反对抗的博弈总是在进行，静好舒畅一段时间后，Bob发现收到朋友Alice的消息，解密后全是38个👻表情符号。很明显，Alice发的消息，在传输过程中被篡改了。大惊之后，Bob再次找极客朋友请教，再次找到防篡改的方法：

棘手难题3：消息被篡改，完整性有问题，有篡改风险；

解决办法3：使用签名+验签算法；

→ 具体操作步骤如下，Bob和Alice分别做如下操作：

Bob做如下操作：

Bob对消息内容做hash，得到指纹Message Digest;
Bob用私钥对Message Digest签名，得到Signature;
Bob将签名Signature，附到消息尾部，一并发给Alice;

Alice收到消息后，做如下操作：

取出消息的正文，做hash得到Message Digest；
从消息底部取出Signature；
调用验证函数Verify(Message Digest, Signature)计算得到key；
将key与本地保存的Bob公钥进行比较：若key==BobPub，则验证成功；否则，验证失败，消息被篡改过，或消息来源不是Bob；

→ 签名和验签算法，实现代码如下：

const ursa = require('ursa');const fs = require('fs');
msg = "IT’S A SECRET TO Alice.";
// 1. Bob// Bob has his private key and Alice's public keyvar BobPri = ursa.createPrivateKey(fs.readFileSync('./key/BobPri'));var AlicePub = ursa.createPublicKey(fs.readFileSync('./key/AlicePub'));console.log('1. Encrypt with Alice Public; Sign with Bob Private');var encrypted_msg = AlicePub.encrypt(msg, 'utf8', 'base64');var signiture = BobPri.hashAndSign('sha256', msg, 'utf8', 'base64');console.log('encrypted:     ', encrypted_msg);console.log('signed:        ', signiture, '\n');
// 2. Alice// Alice has her private key and Bob's public keyvar AlicePri = ursa.createPrivateKey(fs.readFileSync('./key/AlicePri'));var BobPub = ursa.createPublicKey(fs.readFileSync('./key/BobPub'));console.log('2. Decrypt with Alice Private; Verify with Bob Public');var decrypted_msg = AlicePri.decrypt(encrypted_msg, 'base64', 'utf8');if (msg !== decrypted_msg) {  throw new Error("invalid decrypt");} else {  console.log('decrypted:    ', decrypted_msg);}
decrypted_msg = new Buffer(decrypted_msg).toString('base64');if (!BobPub.hashAndVerify('sha256', decrypted_msg, signiture, 'base64')) {  throw new Error("invalid signature");} else {  console.log('Bob Signature?', true, '\n');}

五、数字证书

在一些列对抗中，神秘人Doug发现Bob是个硬茬，而Alice是只小白鼠。于是在一个月黑风高的夜晚，入侵了Alice的电脑，用自己的公钥替换了Bob的公钥文件。第二天，Alice打开电脑，收到Doug伪装成Bob发来的签过名的消息，聊天App调用本地的假Bob公钥验签，通过。从此，Doug可顺利冒充Bob了:

Doug用自己的私钥做成"数字签名"，发消息给Alice，让她做转账等操作；
收到消息后，Alice用假的Bob公钥进行验签通过，从而被骗；

人终究比机器聪明智慧，Alice被骗几次后，从蛛丝马迹中觉察到了：自己电脑中的Bob公钥有问题，可能是假的。于是，她找Bob，一起找到了德高望重的公证人CA，给出来解决方法：

棘手难题4：用户电脑被入侵，公钥被替换，有冒充风险；

解决办法4：使用数字证书，防止公钥被篡改；

→ 具体操作步骤如下：

证书中心CA用自己的私钥，对Bob的公钥和一些相关信息一并签名，生成"数字证书Digital Certificate"给Bob；
Bob拿到Digital Certificate后：每次发送消息时，除了给消息附上签名，还附上数字证书；

Alice收到信息后：先用CA的公钥验证数字证书，进而取到Bob的真实公钥，最后就能验证Signature及消息；

六、拓展：Https协议

Bob、Alice、Doug、CA四种角色，几乎可以拓展到绝大多数的安全场景。比如Bob为服务方，Doug为钓鱼网站，Alice为普通用户，CA为SSL证书颁发中心，就可以拓展出Https协议的雏形：

服务端Bob，将域名xxxxxx.com(相当于Bob的公钥)，拿去向SSL证书中心购买数字证书: crt private、crt public, 并将所购证书配置到官网的nginx服务；
客户端用户Alice访问网站xxxxxx.com时，服务端将数字证书附在报文一并返回。浏览器调用预置的SSL证书中心的根证书对数字证书验签，算出服务端的公钥。若算出的公钥，与浏览器当前访问域名不同，则给用户发出“当前访问网站不安全”的警告，如下图1~4步骤所示；
钓鱼网站由于没有xxxxxx.com的数字证书，所以无法伪装成服务端Bob；