各種數字簽名算法總結

時間 2019-11-18

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數字簽名是一個帶有密鑰的消息摘要算法，這個密鑰包括了公鑰和私鑰，用於驗證數據完整性、認證數據來源和抗否定，遵循OSI參考模型、私鑰簽名和公鑰驗證。也是非對稱加密算法和消息摘要算法的結合體，常見的數字簽名算法主要有RSA、DSA、ECDSA三種，本文對數字簽名算法進行詳細介紹。git

Hash又譯散列、摘要等名，本文統一稱Hash。算法

1. RSA數字簽名算法

RSA是目前計算機密碼學中最經典算法，也是目前爲止使用最普遍的數字簽名算法，RSA數字簽名算法的密鑰實現與RSA的加密算法是同樣的，算法的名稱都叫RSA。密鑰的產生和轉換都是同樣的，包括在售的全部SSL數字證書、代碼簽名證書、文檔簽名以及郵件簽名大多都採用RSA算法進行加密。segmentfault

RSA數字簽名算法主要包括MD和SHA兩種算法，例如咱們熟知的MD5和SHA-256便是這兩種算法中的一類，具體以下表格分佈瀏覽器

1.1. MD二、MD四、MD5算法

最多見的是咱們熟知的MD5加密算法，MD5全稱Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法 5），目前比較廣泛的Hash算法，是散列算法的基礎原理，MD5的前身有MD二、MD3和MD4。MD5算法法是輸入任意長度字符，輸出固定長度128位的算法。通過程序流程，生成四個32位數據，最後聯合起來成爲一個128位Hash值，主要方式是經過求餘、取餘、調整長度、與連接變量進行循環運算進而得出結果。安全

1.2. SHA-1算法

SHA-1是由NIST NSA設計爲同DSA一塊兒使用的，SHA-1設計時基於和MD4相同原理，而且模仿了該算法，SHA-1抗窮舉(brute-force)性更好，它產出160位的Hash值，對於非線性運算、移位和加法運算也與MD5相似。SHA-1也應用於包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec等多種協議中，曾被視爲是MD5的後繼者。SHA-1的現在已經明確不具有安全性可言了。post

在2016年1月1往後基於SHA-1簽發的SSL和代碼簽名的X.509證書已不具有安全性可言，多個操做系統、瀏覽器都建議將基於SHA-1而簽發的證書、代碼簽名替換至SHA-2的產品，但目前在Windows XP（官方已停更）操做系統上仍然只兼容基於SHA-1算法的SSL和代碼簽名產品。性能

就在2017年2月23日Google宣佈實現了對SHA-1算法的碰撞破解，因此SHA-1算法已經正式被宣佈爲不安全的算法，主流廠商對自身產品及安全要求都提高至了SHA-2算法。ui

1.3. SHA-2算法

SHA-22四、SHA-25六、SHA-384和SHA-512並稱爲SHA-2，發佈於2001年，目前比較普遍應用的SSL數字證書和代碼簽名證書籤名算法均採用SHA-256算法，相較於SHA-1算法而言，至今SHA-2算法還未被破解，從某種意義上SHA-2延用了SHA-1算法，因此至少發文時間起是安全的。目前頂級CA和Google、蘋果等公司都採用基於SHA-256算法做爲SSL證書和代碼簽名證書的主流簽名算法。編碼

1.4. SHA-3算法

SHA-3算法正式發佈於2015年，SHA-3並非要取代SHA-2，由於SHA-2目前並無出現明顯的弱點。因爲對MD五、SHA-0和SHA-1出現成功的破解，NIST感受須要一個與以前算法不一樣的，可替換的加密Hash算法，也就是如今的 SHA-3。

SHA-3選用keccak算法爲標準，以太坊即是採用keccak算法。

2. DSA數字簽名算法

DSA全稱Digital Signature Algorithm，DSA只是一種算法，和RSA不一樣之處在於它不能用做加密和解密，也不能進行密鑰交換，只用於簽名，因此它比RSA要快不少，其安全性與RSA相比差很少。DSA的一個重要特色是兩個素數公開，這樣，當使用別人的p和q時，即便不知道私鑰，你也能確認它們是不是隨機產生的，仍是做了手腳。RSA算法卻作不到。

DSA的整個簽名算法流程以下：

a. 發送方使用SHA-1和SHA-2編碼將發送內容加密產生的數字摘要；
b. 發送方用本身的專用密鑰對摘要進行再次加密獲得數字簽名；
c. 發送方將原文和加密後的摘要傳給接收方；
d. 接收方使用發送方提供的密鑰對進行解密，同時對收到的內容用SHA-1/SHA-2編碼加密產生一樣的摘要；
e. 接收方再將解密後的摘要和d步驟中加密產生的摘要進行比對，若是二者一至，則說明傳輸過程的信息沒有被破壞和篡改，不然傳輸信息則不安全。

3. ECDSA橢圓曲線數字簽名算法

ECDSA是用於數字簽名，是ECC與DSA的結合，整個簽名過程與DSA相似，所不同的是簽名中採起的算法爲ECC，最後簽名出來的值也是分爲r,s。而ECC（全稱Elliptic Curves Cryptography）是一種橢圓曲線密碼編碼學。

ECDH每次用一個固定的DH key，致使不能向前保密（forward secrecy），因此通常都是用ECDHE（ephemeral）或其餘版本的ECDH算法。ECDH則是基於ECC的DH（ Diffie-Hellman）密鑰交換算法。

ECC與RSA 相比，有如下的優勢：

a. 相同密鑰長度下，安全性能更高，如160位ECC已經與1024位RSA、DSA有相同的安全強度。
b. 計算量小，處理速度快，在私鑰的處理速度上（解密和簽名），ECC遠比RSA、DSA快得多。
c. 存儲空間佔用小 ECC的密鑰尺寸和系統參數與RSA、DSA相比要小得多，因此佔用的存儲空間小得多。
d. 帶寬要求低使得ECC具備普遍得應用前景。

下表是ECC和RSA安全性比較

攻破時間(MIPS年)RSA/DSA(密鑰長度)ECC密鑰長度RSA/ECC密鑰長度比1045121065：11087681326：1101110241607：11020204821010：110782100060035：1

下表是RSA和ECC速度比較

功能Security Builder 1.2BSAFE 3.0163位ECC(ms)1,023位RSA(ms)密鑰對生成3.84,708.3簽名2.1(ECNRA)228.43.0(ECDSA)認證9.9(ECNRA)12.710.7(ECDSA)Diffie—Hellman密鑰交換7.31,654.0

在 ECDHE 密鑰交換中，服務端使用證書私鑰對相關信息進行簽名，若是瀏覽器能用證書公鑰驗證簽名，就說明服務端確實擁有對應私鑰，從而完成了服務端認證。密鑰交換和服務端認證是徹底分開的。

可用於 ECDHE 數字簽名的算法主要有 RSA 和 ECDSA，也就是目前密鑰交換 + 簽名有三種主流選擇：