信息安全概论 第4章 消息认证与数字签名

1

消息认证

５

数字签名

4.1 消息认证

41消息认证

4.1.1 基本概念

单向函数、单向Hash函数以及单向陷门函数

单向函数单向H h

非对称密码算法以及数字签名的基石。本节

将对这些基础概念一一作介绍。

顾名思义单向函数的计算是不可逆的即

顾名思义，单向函数的计算是不可逆的。即

在计算机科学领域中，Hash函数是使用得最

3．单向陷门函数

单向陷门函数是一类特殊的单向函数，它包含一个秘密陷门。

4.1.1 基本概念

4.1.2

消息认证系统

MAC f (K,M )

MAC

Alice 发送方Alice

接收方Bob

M K

M

密

4.1.2

消息认证系统

用Hash 函数进行消息认证则不需要密钥的参与。

同消息认证码一样，Hash 函数也有多种使用方式：可以只进行H h 摘要也可以配合加密算法起使用类比图41图43Hash 摘要，也可以配合加密算法一起使用。类比图4-1～图4-3，可以得到图4-4～图4-6的Hash 函数使用方式。

接收

H=H (M )

()

M 发送方Alice 接收方Bob

图4-6Hash M

级联

解密C 得到

C 相等？

H(C)

加4-6 Hash 使用方式示

意图——加密整个消息

示意图——只加密M

4.1.2 消息认证系统

Hash函数相当于为需要认证的数据产生一个“数字指纹”。为了能够实现对数据的认证，Hash函数应满足以下条件：（1）函数的输入可以是任意长。

（2）函数的输出是固定长。

）函数的输出是固定长

（3）已知x，求H(x)较为容易，可用硬件或软件实现。

（）已知，求使得()的在计算上是不可行的，这性4h H(x)=h x在计算上是不可行的，这一性质称为函数的单向性，称H(x)为单向Hash函数。

（5）对于给定的x，找出y(y≠x)使得H(y)=H(x)在计算上是不可行的。如果单向Hash函数满足这一性质，则称其为弱无碰撞。行的如果单向函数满足这性质则称其为弱无碰撞（6）找出任意两个不同的输入x、y，使得H(y)=H(x)在计算上是不可行的。如果单向Hash函数满足这一性质，则称其为强无碰撞。

4.1.3

MD5算法

MD5是密码学家Ron Rivest 提出来的算法，MD5根源于一系列消息摘要算法，从最初很脆弱的MD 到现在广泛使用的MD5 R Ri t 做出了卓越的贡献

(包括未发表的MD3)，Ron Rivest 做出了卓越的贡献。MD5是一种速度非常快的消息摘要算法。MD5的输入可以是任意长，以512位为单位分成块，输出是128位的消息摘要。大体上说，MD5算法总共分为以下五步：

第一步：填充字节

原始消息

填充位长度：1~512

64位长度值

第步：填充字节第二步：分块

第三步：初始化寄存器第四步处理每

个分块第四步：处理每一个分块第五步：输出结果

128位初始变量

4.1.4 SHA算法

SHA (Secure Hash Algorithm)算法最初是于1993年由美

国国家标准与技术学会NIST和NSA联合发布的。1995年作了一

SHA--1。SHA

SHA--1算法过程如图4-8所示。些修订，后来正式更名为SHA

些修订后来正式更名为所示

始变量摘要

4.1.4

SHA 算法

同MD5一样，SHA 是在MD4的基础上修改而成的。因此，SHA 和MD5有很多的相同点。SHA 大体也是由五步构成：

第二步分块

B

第二步：分块

第步第三步：要求

C

A

第一步：

填充初始化寄存器

第四步：处理每

E

D

第五步：输出结果

一个分块

4.1.5

HMAC 算法

下面将详细说明

密钥变换k’

S 1

M

密钥k HMAC 的七步操作过程。

第一步：密钥变换(MD5,SHA-1…)第二步：异或

第三步：消息级联第四步计算消息摘消息摘要算法(MD5,SHA 1…)

第四步：计算消息摘要

第五步：异或

第六步：消息级联第七步：输出最终结果

数字名 4.2 数字签名

4.2.1 数字签名的基本概念

伪造一个消息并使用与

（1）Bob伪造个消息并使用与Alice共享的密钥K产生该消息

（2）既然Bob有可能伪造Alice发来的消息，那么Alice就可以

发来的消息那么这两种欺骗在实际应用中都有可能发生。双方争执不下而对簿公

4.2.1 数字签名的基本概念

①发送方必然产生自己独有的

信息来签名以防止伪造和否认。

②这种签名很容易产生。

②这种签名很容易产生

以下特点

③对于接收方，应该很容易验证

签名的真伪。

④对于给定的x，找出y(y≠x)使得

签名S(y)=S(x)在计算上是不可行的。

⑤找出任意两个不同的输入x、y，

使得S(y)=S(x)在计算上是不可行的。