本文讲解对称加密、非对称加密、消息摘要、MAC、数字签名、公钥证书的用途、不足和解决的问题。
0.概述
当发送方A向接收方B发送数据时，需要考虑的问题有：
1.数据的安全性。
2.数据的完整性，即数据不被篡改。
3.数据的真实性，即数据确实来自于发送方，传输过程中没有被替换。
4.数据的不可否认性，即验证发送方确实发送了数据。
本文只是对整套体系做一个整体的介绍，后续文章详细讲解各个步骤和算法。
本文的整体结构见下图。
基本概念：
密码：按特定法则编成，用以对通信双方的信息进行明密变换的符号。
密钥：在现代密码学中，秘钥指的是一组特定的秘密数据，在加密时，它控制密码算法按照指定的方式将明文变换为相应的密文，并将一组信源标识信息变换成不可伪造的签名；在解密时，它控制密码算法按照指定的方式将密文变换为相应的明文，并将签名信息变换成不可否认的信源证据。
1.数据传输的安全
保证数据传输安全的方法就是对数据进行加密了，常用的加密算法有对称加密和非对称加密。
1.1 对称加密
又称共享加密，加解密使用相同的密钥。
常见算法：
DES 3DES AES RC5 RC6
例：
1).为了安全，A将数据加密发送给B。
2).密文即使在传送过程中被截获，因为不知道密钥也无法解密。
3).B接收到密文之后，需要使用加密相同的密钥来解密。
4).需要A将密钥传给B，但保证密钥传输过程中的安全又成了问题。
优点：
计算速度快。
缺点：
为了传送数据的安全，将数据加密后进行传输，但是对称加密需要发送方将密钥安全地传给接收方以便接收方解密，因此密钥如何安全传送又成了一个问题。
问题：
如何保证密钥的安全性？
1.2 非对称加密
也称公钥加密，这套密钥算法包含配套的密钥对，分为加密密钥和解密密钥。加密密钥时公开的，又称为公钥；解密密钥时私有的，又称为私钥。数据发送者使用公钥加密数据，数据接收者使用私钥进行数据解密。
常见算法：
RSA
例：
1).B生成密钥对，将公钥传给A，私钥自己保留。公钥即使被其他人获得也没有关系。
2).A用B传过来的密钥将要发送的明文数据加密，然后将密文发送给A。其他人即使获得密文也无法解密，因为没有配对的用来解密的私钥。
3).B接收到A传送过来的密文，用自己保留的私钥对密文解密，得到明文。
优点：
解决了密钥的安全性问题。
缺点：
一是计算速度慢；
二是无法保证公钥的合法性，因为接收到的公钥不能保证是B发送的，比如，攻击者截获B的消息，将公钥替换。
这里先留下一个问题，后面叙述解决办法：如何保证公钥是合法的？
2.保证数据完整性
消息摘要
消息摘要函数是一种用于判断数据完整性的算法，也称为散列函数或哈希函数，函数的返回值就是散列值，散列值又称为消息摘要或者指纹。
这种算法是不可逆的，即无法通过消息摘要反向推导出消息，因此又称为单向散列函数。
常见算法：
MD5 SHA
例：
当我们使用某一软件时，下载完成后需要确认是否是官方提供的完整版，是否被人篡改过。通常软件提供方会提供软件的散列值，用户下载软件之后，在本地使用相同的散列算法计算散列值，并与官方提供的散列值向对比。如果相同，说明软件完整，未被修改过。
优点：
可以保证数据的完整性。
缺点：
无法保证数据的真实性，即不能确定数据和散列值是来自发送方的，因为攻击者完全可以将数据和散列值一起替换。
问题：
如何验证发送的数据确实来自于发送方？
3.保证数据的真实性
要保证数据来自发送方，即确认消息来自正确的发送者，称为消息认证。
3.1 消息认证码
消息认证码（Message Authentication Code，简称MAC）是一种可以确认消息完整性并进行认证的技术。消息认证码可以简单理解为一种与密钥相关的单向散列函数。
例：
1).A把消息发送给B前，先把共享密钥发送给B。
2).A把要发送的消息使用共享密钥计算出MAC值，然后将消息和MAC发送给B。
3).B接收到消息和MAC值后，使用共享密钥计算出MAC值，与接收到的MAC值对比。
4).如果MAC值相同，说明接收到的消息是完整的，而且是A发送的。
这里还是存在对称加密的密钥配送问题，可以使用公钥加密方式解决。
优点：
可以保证数据的完整性和真实性。
缺点：
接收方虽然可以确定消息的完整性和真实性，解决篡改和伪造消息的问题，但不能防止A否认发送过消息。
例：
假如A给B发送了消息，B接收到之后，A否认自己发送过消息给B，并抵赖说，“虽然我和B都能计算出正确的MAC值，但是可能是B的密钥被攻击者盗取了，攻击者给B发的消息。”
问题：
如何让发送方无法否认发送过数据？
3.2 数字签名
数字签名（Digital Signature）可以解决发送方否认发送过消息的问题。
数字签名的重点在于发送方和接收方使用不同的密钥来进行验证，并且保证发送方密钥的唯一性，将公钥算法反过来使用可以达到此目的：A发送消息前，使用私钥对消息进行签名，B接收到消息后，使用配对的公钥对签名进行验证；如果验证通过，说明消息就是A发送的，因为只有A采用配对的私钥；第三方机构也是依据此来进行裁决，保证公正性。
例：
1).A把消息用哈希函数处理生成消息摘要，并把摘要用私钥进行加密生成签名，把签名和消息一起发送给B。
2). 数据经过网络传送给B，当然，为了安全，可以用上述的加密方法对数据进行加密。
3). B接收到数据后，提取出消息和签名进行验签。采用相同的哈希函数生成消息摘要，将其与接收的签名用配对的公钥解密的结果对比，如果相同，说明签名验证成功。消息是A发送的，如果验证失败，说明消息不是A发送的。
问题：
依然是，如何确保公钥的合法性？
4.公钥证书
我们看到，上面的公钥加密，数字签名的问题都在于如何保证公钥的合法性。
解决办法是将公钥交给一个第三方权威机构——认证机构（Certification Authority）CA来管理。接收方将自己的公钥注册到CA，由CA提供数字签名生成公钥证书（Public-Key Certificate）PKC，简称证书。证书中有CA的签名，接收方可以通过验签来验证公钥的合法性。
例：
1).接收方B生成密钥对，私钥自己保存，将公钥注册到CA。
2).CA通过一系列严格的检查确认公钥是B本人的。
3).CA生成自己的密钥对，并用私钥对B的公钥进行数字签名，生成数字证书。证书中包含B的公钥和CA的签名。这里进行签名并不是要保证B的公钥的安全性，而是要确定公钥确实属于B。
4).发送方A从CA获取B的证书。
5).A使用CA的公钥对从CA获取的证书进行验签，如果成功就可以确保证书中的公钥确实来自B。
6).A使用证书中B的公钥对消息进行加密，然后发送给B。
7).B接收到密文后，用自己的配对的私钥进行解密，获得消息明文。