Digital Signature (數位簽章)

簡介

在資訊安全的原則中，其中非常重要的一環，即為不可否認性(non-repudiation)，假設在正常情況下，A 傳訊息給 B，之後就不能否認曾經傳過訊息，此即為不可否認性。

但這應該如何做到呢? 答案就是 Digital Signature(數位簽章)

Digital Signature 的使用情境大概如下：

假設 A 要傳訊息給 B，但是 B 要如何確認訊息真的是由 A 發送的呢?

此時只要 A 在發送前利用自己的 private key 將訊息加密，再傳給 B，B 再利用 A 的 public key 進行解密。

如果訊息可以正確解密，就可以確定訊息是由 A 所發出；即使訊息在傳送過程中被 C 所攔截，再使用 A 的 public key 還原成原本的訊息，還是沒辦法偽裝成 A 所發送的訊息(因為這需要 A 的 private key)。

因此，Digital Signature 的主要作用即是在確定不否可定性(non-repudiation)；而 Digital Signature 在實際應用上是很有意義的，因為這項技術代表了授權機制可以很容易建立起來。


Message Digest (訊息摘要)

在深入瞭解 Digital Signature 之前，必須先知道 Message Digest 為何。

顧名思義，Message Digest 即是一段訊息的摘要，類似於 fingerprint(指紋) 的概念；理論上，不同的訊息所產生出來的 message digest 都不會是相同的，因此可以用來驗證訊息在傳輸的過程中是否有被竄改過。

而 message digest 是如何產生的呢? 在目前的作法中，是以複雜的 hash function (雜湊函數) 所計算出來，以下來介紹 hash function ....


Hash Function (雜湊函數)

Hash Function(雜湊函數)，在許多地方都可以見到其蹤影，目前常用的 hash function 有 MD5(Message-Digest algorithm 5)、SHA(Secure Hash Algorithm)、MAC(Message Authentication Code)、HMAC(Hash-based Message Authentication Code) .... 等等。

不論是何種 hash function，都具備以下幾點特性：

1. 要計算出一段訊息的 message digest 不需花太多時間，因此演算法的設計上必須考量到效率
2. 針對相同訊息進行計算，都會產生出相同結果
3. 只有 message digest，是無法還原成原訊息，因此演算法的設計上必須是不可逆
4. 不同的訊息所計算出來的 message digest 必須是不同的
   

一般來說，上面的四種演算法都具備了上述幾種特性。但還是有一些是必須注意的....

MD5 所計算出來的 message digest 長度為 128 bits，因此表示不同的訊息還是有 1/(2^128) 的可能性發生重複。

SHA 所計算出來的 message digest 長度為 160 bits，強度更甚 MD5，但不同的訊息還是有 1/(2^160) 的可能性發生重複。

上述兩種演算法的發生重複性的機率已經算是極低，到了幾乎可以忽略的地步了，因此實際應用上常常都會遇見；此外，這兩種演算法計算 message digest，所需要的只需原訊息即可，不需要額外的資訊。

與 MD5 和 SHA 不同的是，MAC 與 HMAC 兩個則是需要多一支加密用的金鑰，因此其演算法的設計還是必須以密碼學的演算法為基礎，只是差別在於演算法的設計上不需考慮是否可逆(因為原本就是希望是不可逆的!)。

但使用 MAC 與 HMAC 的一個大問題還是出在金鑰(key)，因為這兩種演算法都必須要有一支金鑰，因此永遠都會存在通訊雙方金鑰交換的問題。


Digital Signature 的實際應用

在實際應用上，為了確保 digital signature 的安全與可靠，一般會加上 RSA 非對稱式加密的機制，嚴謹一點就會在 PKI 的架構下，加入可信任第三方的認證，以下用一張圖來表示：

大概描述一下整個流程：

1. 發送者(Signer)將所要傳遞的資訊透過 hash function 加密以產生 message digest
   
2. 發送者使用自己的 private key 將 message digest 加密，結果即為 digital signature
3. 此時發送者將原始資訊與 digital signature 一起傳送給接收者
4. 接收者使用相同的 hash function，計算出原始資訊的 message digest
5. 接收者使用發送者的 public key 將 digital signature 解密，取出 message digest
6. 比對兩個 message digest，若是相同，則表示資訊來源的確為原始發送者，並沒有被修改過

由上述的說明可知，透過 Digital Signature 的機制，除了可以達到資訊安全中的不可否認性(non-repudiation)外，還可以達到資訊完整性(integrity)的目的。


參考資料

1. Message Digest
2. What is a message digest?
3. TWCA 台灣網路認證 - 訊息摘要(Message Digest)
   
4. Digital Signature
5. 數位簽章是什麼?
   
6. 資料加密
   
7. 網路認證機制相關說明Q&A