哈工大计算机网络课程网络安全基本原理详解之：消息完整性与数字签名

哈工大计算机网络课程网络安全基本原理详解之：消息完整性与数字签名

这一小节，我们继续介绍网络完全中的另一个重要内容，就是消息完整性，也为后面的数字签名打下基础。

报文完整性

首先来看一下什么是报文完整性。

报文完整性，也称为消息完整性（message integrity），有时也称为报文/消息认证（或报文鉴别），目标：

• 证明报文确实来自声称的发送方

  比如接收端在收到报文时能够确认，报文是由指定发送方发送的。这一过程也是与我们上一节中介绍的身份认证相关的。

• 验证报文在传输过程中没有被篡改。

• 预防报文的时间、顺序被篡改。

• 预防报文持有期被修改。

  比如Bob给Alice发报文，还应该预防Alice在持有报文时，有意或无意修改报文。

• 预防报文在发送/接收时对报文本身的抵赖

  • 发送方否认。比如发送方否认发送过这个报文，或否认发送报文的内容。
  • 接收方否认。比如接收方否认收到过这个报文，或否认接收报文的内容。

密码散列函数

在解决报文完整性的问题中，需要使用到一个非常重要的概念，就是密码散列函数。

密码散列函数（Cryptographic Hash Function）：H(m)。

用H(m)来表示利用密码散列函数对报文m进行的散列运算。

作为密码散列函数，与我们一般性的散列函数，具有以下一些特征：

• 散列算法公开

• H(m)能够快速计算

• 对任意长度报文进行多对一映射，均产生定长输出

• 对于任意报文无法预知其散列值

• 不同报文不能产生相同的散列值

• 单向性：无法根据散列值倒推出报文

  • 即对于给定散列值h，无法计算找到满足h=H(m)的报文m

• 抗弱碰撞性（Weak Collision Resistence-WCR）

  • 对于给定报文x，计算上不可能找到y且y不等于x，使用H(x) = H(y)

• 抗强碰撞性（Strong Collision Resistence-SCR）

  • 在计算中，不可能找到任意两个不同报文x和y(x≠y)，使得H(x) = H(y)。

密码散列函数对报文完整性的校验是至关重要的。

作为与一般性的散列函数的对比，我们来看一个例子。

在之前讲解IP协议中，会有一个16比特的checksum校验和来在接收端判断数据报是否有修改。在这种校验和的计算中，其实也具备散列函数的某些属性：

• 多对一映射
• 对于任意报文，产生固定长度的散列值（16-bit校验和）

但是它并不能作为密码散列函数，因为对于给定的报文及其散列值，很容易找到另一个具有相同散列值的不同报文。比如下面这个例子：

散列函数算法

通过上面的介绍可以看出，密码散列函数的要求是比较严格的，需要经过精心设计。目前，在网络安全领域，使用的比较常见的有以下两个函数：

• MD5：被广泛应用的散列函数（RFC 1321）
  • 通过4个步骤，对任意长度的报文输入，计算输出128位的散列值。
  • MD5不是足够安全。在1996年，Dobbertin找到了两个不同的512-bit块，在MD5计算下产生了相同的散列值。
• SHA-1（Secure Hash Algorithm）
  • 另一个相对更安全的散列函数
  • US标准
  • SHA-1要求输入消息长度<2⁶⁴
  • SHA-1的散列值为160位
  • 速度慢于MD5，安全性优于MD5

报文摘要

报文摘要实际上是利用上面的密码散列函数，作用于某一任意长度的报文m，得到一个固定长度的散列值，通常把这个散列值称为报文摘要（message digest），记为H(m)。

这个报文摘要对原报文来说，是具有非常重要的意义的。重要的意义在于，报文摘要可以作为报文m的数字指纹（fingerprint）。

报文认证

有了上面的基础概念后，接下来我们就着重讨论下如何实现报文完整性的认证。

简单方案

简单方案：报文+报文摘要—>扩展报文（m, H(M)）

上述简单方案利用了密码散列函数和报文摘要来实现。实际上，就是在给对方发送报文时，利用密码散列函数根据该报文内容，计算出一个报文摘要。此时，发送的报文内容除了其本身原有内容外，还包含一个报文摘要。两者构造出一个扩展报文，发送给对方。

接收方在收到该扩展报文后，根据同样的密码散列函数，根据报文内容计算得到一个散列值，然后跟报文摘要进行比对。如果一致，说明报文在传输过程中没有被修改，如果不一致，则说明已经被修改。

整体的大致过程如下所示：

为了在报文认证中，除了确保报文在传输过程中没有发生过改变外，还要认证报文的发送方确实是指定的真实发送方，而不是第三方入侵者或伪造的（身份认证），还需要对上述方案进行改进。

报文认证码MAC

报文认证码MAC：（Message Authentication Code）

实现原理：

• 引入了一个报文认证密码的概念
• 此时，一个扩展报文(m, H(m+s))包括了：原始报文m + 认证密钥s + 密码散列函数H

在使用这种方案下，报文认证过程大致如下所示：

• 发送端在发送报文中，利用密码散列函数H，对原始报文内容m和认证密码s（一般就是一个字符串或比特串）一起共同生成一个报文摘要H(m+s)。
• 该报文摘要与原始报文一起构成一个扩展报文(m ,H(m,s))
• 接收端收到该报文后，分离出原始报文和报文摘要两部分。
• 对于原始报文，利用相同的密码散列函数和认证密钥s，得到一个散列值H(m,s)
• 同样的，将该散列值与报文摘要的值比对，如果匹配，则报文完整性成功认证。否则，认证失败。

这里为什么就能够确认报文是来自指定的真实发送方，而不是伪造或第三方入侵者呢？因为，这里引入了密钥的概念，而这对密钥只有发送方和接收方所持有。由于密码散列函数的特殊性，只有该密钥才能生成相应的报文摘要，从而保证了报文认证的可靠性。

报文验证码MAC在一定程度上解决了报文完整性校验和身份认证问题，但是报文完整性里涉及的其他问题，还很难解决。比如，接收端在持有报文时，由于它有密码s，因此，它可以任意构造一个报文内容m’，并利用该密钥s生成相应的报文摘要，然后伪造说这是发送方发送的报文。这里的问题，就涉及到我们开篇报文完整性要求中说的，预防报文持有期被修改和预防抵赖。

为了解决这些问题，就需要引入我们接下来介绍的数字签名概念。

数字签名

上面我们最后说到，作为报文验证码MAC实际上有一些其他的报文完整性问题还未解决。比如，涉及到下面这些问题。

Q：如何解决下列与报文完整性相关的问题？

• 否认：发送方不承认自己发送过某一报文。
• 伪造：接收方自己伪造一份报文，并声称来自发送方
• 冒充：某个用户冒充另一个用户接收后发送报文
• 篡改：接收方对收到的信息进行篡改。

这些问题，简单依赖单一的报文认证码是很难解决的。目前比较有效的，也是在网络安全中使用比较广泛的解决方案，就是数字签名（Digital signatures）。

• 数字签名技术是实现安全电子交易的核心技术之一。
• 可验证性（verifiable），验证报文是否被修改过。
• 不可伪造性（unforgeable）
• 不可抵赖性（non-repudiation）

数字签名的简单实现原理

显然我们很容易想到，**签名的主要目的是为了预防修改，即签名本身是不能被修改的，被签名的内容是不能被修改的。**就跟我们日常生活中，对一个文件的签名，往往就是签上自己的姓名，甚至手印，而且要保存原件，就是为了签名后，签名和文件内容都是不能被修改的。

因此，与日常生活中的签名行为联系起来的话，网络安全中的数字签名技术，实际上就是在发送的报文（相当于文件），签上一个数字名称，这个名称保证了报文的完整性，同时也标识着身份认证。同时，这个签名一定是唯一特殊，不可被修改的，从而保证不可伪造和不可抵赖性。

因此，为了实现数字签名，就需要借助于上面介绍的加密技术。报文加密技术是数字签名的基础。

同时，对于加密技术，首先不能选取对称加密算法，因为对称加密算法接收和发送双方使用的是同一个密钥，也就是说接收方是可以利用这个密码对接收报文进行修改的，也就是我们上面说的报文验证码的问题。

因此，对于加密算法的算法一定需要选择非对称加密算法（公钥技术）。此时，假设Bob要想Alice发送带有数字签名的信息，就可以利用其私钥对报文m进行加密，创建签名报文，K_B^-(m)。

整体流程如下所示：

作为Alice，实际上接收了两份报文：一份是明文原始报文m，另一份是Bob用私钥加密的签名报文。之后，Alice的响应帧流程大致如下所示：

• Alice利用Bob的公钥K_B⁺解密K_B^-(m)，并检验K_B⁺（K_B^-(m)）= m来证实报文m确实是由Bob签名的。

• 如果K_B⁺（K_B^-(m)）= m成立，则签名m的一定是Bob的私钥

• 于是：

  Alice可以证实：

  • Bob签名了m
  • 没有其他人签名m的可能
  • Bob签名的是报文m而不是其他报文m‘

  不可抵赖：

  • Alice可以持有报文m和签名K_B^-(m)，必要是可以提交给法院证明是Bob签名的报文m。

实际上，通过上面的介绍我们细想就能发现，实际上报文验证码MAC和数字签名技术的实现区分，实际上也就是对称加密算法和非对称加密算法实现原理的区别。因为有了非对称加密算法，使得每个用户都可以保留自己的私钥，同时公开一个公钥来进行解密。而这个私钥就成了身份认证的唯一标识，比如身份证ID，或指纹。从而保证了报文传输过程中的消息完整性和身份认证。

签名报文摘要

上述简单数字签名的方案有一个较大的缺点，就是在利用私钥对报文加密后（签名后），该签名要跟着报文一起发送给接收端。一来，传输的报文量相当于是两倍的报文，造成信道资源消耗。二来，接收方在对签名解密时，原始报文往往比较大，解密速度也会比较慢。因此，可以设计一些方案来改进这个签名过程。

怎么做呢？可以联想到上面提到过的报文摘要，对于报文摘要来说，它可以作为报文的数字指纹这样一个特征，也就是可以唯一标识一个报文。换句话说，报文摘要其实就与原始报文一一对应。

因此，显而易见，我们在签名的时候可以不对整个原始报文进行签名，而改为对这个报文摘要进行签名，也可以实现同样的效果。

因此，目前大部分的数字签名，使用的都是报文摘要签名的方法。

接下来我们来看一下，利用报文摘要数字签名的实现流程：

Bob发送数字签名的报文：

• Bob在发送报文时，利用密码散列函数，对报文生成报文摘要H(m)
• Bob利用自己的私钥，对报文摘要进行签名，得到签名后的报文摘要：K_B^-(H(m))
• 把该签名后的报文摘要和报文一起，组成扩展报文（m, K_B^-(H(m))）发送给接收端。

Alice核实签名以及数字签名报文的完整性：

• Alice分离出原始报文本身，和签名报文摘要
• Alice利用相同的密码散列函数，根据原始报文，生成报文摘要
• 再利用Bob的公钥对签名报文摘要进行解密
• 将解密后的报文摘要与刚刚生成的报文摘要进行比对，判断两者是否相同。