考研复习 Day 48 | 密码学--第八章 数字签名与身份认证（上）
注：以下内容参考《新编密码学》范九伦 张雪锋 侯红霞 编著
第8章 数字签名与身份认证
8.1 数字签名原理
8.1.1 数字签名的基本概念
消息认证码无法防止通信双方之间的互相抵赖和欺骗。例如，Alice发送消息并附上消息认证码后，可以否认发送过该消息（因为Bob也能生成同样的消息认证码）；Bob也可以伪造消息声称来自Alice。因此，需要数字签名技术来提供数据来源的真实性、数据内容的完整性、签名者的不可否认性以及匿名性等服务。
数字签名是以公钥密码理论为支撑的技术，它将算法作用于需要签名的消息，生成带有操作者身份信息的编码。签名者执行数字签名，验证者验证签名真伪。
数字签名与手书签名的差异：
手书签名与被签文件物理上不可分离；数字签名与消息是可分离的比特串
手书签名通过物理比对验证；数字签名通过严格算法验证
手书签名复制品易与原件区分；数字签名拷贝与原串完全相同
数字签名至少满足三个基本要求：
签名者任何时候无法否认自己签发的签名（不可否认性）
接收方能验证签名，但任何人无法伪造他人签名（真实性与不可伪造性）
发生争议时，仲裁机构可进行裁决
数字签名体制是一个五元组(M,S,K,SIG,VER)：
M：消息空间
S：签名空间
K：密钥空间（签名密钥sksk、验证密钥vkvk）
SIG：签名算法，SIGsk(m)=s
VER：验证算法，VERvk(m,s)={ true,s=SIGsk(m) false,s≠SIGsk(m) }
8.1.2 数字签名的特性
功能特性：
完整性：签名依赖于消息的具体比特模式
真实性：能够验证签名者身份
不可伪造性：伪造签名在计算上不可行
可用性：生成、验证过程简单，可在普通设备上快速完成
安全性特性：
单向性：从消息和签名推导签名密钥不可行
不可抵赖性：不同消息的签名相等概率可忽略
无相关性：从一个消息的签名不能推导出另一个消息的签名
8.1.3 数字签名的实现方法
基于公钥密码的数字签名：发送方用自己的私钥加密消息（或消息摘要），接收方用发送方公钥解密验证。由于只有发送方拥有私钥，因此能证明消息来源。
直接数字签名体制：仅涉及通信双方，依赖于签名者私钥的安全性。弱点：私钥泄露后，泄露前的签名仍可被伪造；签名者可声称私钥泄露而否认签名。
可仲裁的数字签名体制：引入可信第三方作为仲裁者，发送方将签名发送给仲裁者验证后，再转给接收方。解决了否认问题，但增加了复杂性，仲裁者可能成为性能瓶颈。
实际应用中的优化：先对原始消息进行Hash处理，再对Hash码签名，提高效率（图8-3）。
8.2 RSA数字签名
8.2.1 RSA数字签名算法
系统参数与RSA公钥密码相同：选取大素数p,q，计算n=p×q，φ(n)=(p−1)(q−1)，选取e满足gcd(e,φ(n))=1，计算d=e^(−1) mod φ(n)。公开(n,e)作为验证密钥，秘密保存(p,q,d)作为签名密钥。
签名：s=SIGsk(m)=m^d mod n
验证：VERvk(m,s)=true ⟺ m≡s^e mod n
8.2.2 RSA数字签名的安全问题
RSA签名继承了RSA算法的可乘性缺陷，面临以下攻击：
消息破译：攻击者可通过选择签名请求恢复明文
截取仲裁签名：攻击者可修改消息，骗取仲裁签名后恢复目标消息签名
篡改用户签名：若获得两个消息的签名，可伪造它们乘积的签名
防范措施：不能对陌生人提交的消息直接签名，应先进行Hash处理。
另一种伪造攻击：攻击者选任意y，计算x=y^e mod n，则y是合法用户对x的有效签名（因为x^d=y）。因此，应避免对无意义的随机消息签名。
8.3 ElGamal数字签名
ElGamal签名体制基于离散对数问题，是专门为数字签名设计的，已被NIST采纳为数字签名标准（DSS）的基础。
8.3.1 ElGamal数字签名算法
系统参数：
大素数p，使Zp∗上离散对数难解
Zp∗的生成元g
签名者私钥a，公钥y=g^a mod p
密钥K=(p,g,a,y)，公钥(p,g,y)，私钥a
签名：对消息m∈Zp，随机选取k∈Zp∗且gcd(k,φ(p))=1，计算
r=g^k mod p
s=(m−ar)⋅k^(−1) mod φ(p)
签名为(r,s)，签名空间为Zp×Zp。
验证：
VER(m,r,s)=true ⟺ y^r⋅r^s≡g^m (mod p)
正确性：若签名正确，则
y^r⋅r^s=g^ar⋅g^ks=g^[ar+ks)=g^(ar+k⋅(m−ar)k^(−1)]=g^m
8.3.2 针对ElGamal签名算法的可能攻击
安全性基础：依赖于离散对数问题的困难性。
使用不当造成的威胁：
若随机数k泄露，攻击者可计算私钥a=(m−ks)r^(−1) mod φ(p)
若重复使用k对不同消息签名，可由两个签名计算出k，进而得到a
伪造签名攻击：
存在性伪造：选择i,j，构造r=g^i·y^j，计算s=r^(j−i)，m=r^i·r^(j−i)，得到有效签名
已知消息伪造：从已知签名出发，通过变换伪造新消息签名
选择性伪造：利用φ(p)的大素因子q构造签名
大r伪造：当r>p时，可伪造任意消息的签名
防范措施：
签名前对消息进行Hash处理
验证时检查r不能被φ(p)的大素因子整除
验证时检查r<p
注：以上内容的理解和计算，如果有任何错误，希望各位读者和大佬指出改正，非常感谢！！！