只用10分钟，一次性搞懂公钥和私钥

关于什么是公钥和私钥，网上有一篇很经典的文章：http://www.youdzone.com/signature.html

我参考了这篇文章的主要内容，向你介绍下公钥和私钥的工作原理。

公钥和私钥

Bob有两把钥匙，一把是公钥，另一把是私钥。

Bob的公钥是公开的，谁都可以拿到，但是私钥只有Bob自己知道，是要绝对保密的。

我们先来看下公钥和私钥的区别：

• 公钥：公钥是用来加密信息的。当某人想要给你发送一条加密的信息时，他们会使用你的公钥进行加密，这样只有拥有对应私钥的你才能解密并阅读信息。公钥还可以用于验证数字签名。如果有人使用他的私钥对信息进行了签名，并声称这个签名是他创建的，你可以使用他的公钥来验证签名，如果验证成功，那么这个签名确实是用对应的私钥创建的。
• 私钥：私钥是用来解密信息的。当某人使用你的公钥加密了一条信息并发送给你时，只有你的私钥能够解密这条信息，因为它是唯一的，只有你知道。此外，私钥还可以用来创建数字签名。当你对一份文件或一条信息进行签名时，你实际上是使用私钥对信息的特定表示形式（如信息的哈希值）进行加密，这样接收者就可以使用你的公钥来验证签名的有效性，从而确认信息确实来自于你，并且未被篡改。

简单来说，公钥是用来加密信息和验证数字签名的，而私钥是用来解密接收到的加密信息和创建数字签名的。

加密解密

Susan如果想给Bob发一条加密的该如何做呢？

• 首先，Susan要先拿到Bob的公钥，因为公钥是公开的，所以Susan和其他任何人都可以轻易拿到；
• 然后，Susan用Bob的公钥把要发的信息加密，得到一段加密后的密文；
• 接着，Susan把加密后密文发给Bob；
• 最后，Bob用自己的私钥解密密文，得到原文。

其他人就算获取到了密文也无法破解，因为用Bob的公钥加密的密文只能用Bob的私钥才能解开，而Bob的私钥只有Bob自己才有。

数字签名

不知道你有没有发现一个问题？

Bob收到Susan发给他的信息的时候，如何知道这个信息就是Susan发给他的原信息呢？

会不会有人篡改了原来的信息？

会不会有人冒充Susan发信息？

因为Bob的公钥是公开的，谁都可以用Bob的公钥来加密信息。

也就是说Susan如何证明，这条信息就是她发的呢？

这就需要用到数字签名了。

哈希函数

数字签名的过程通常开始于哈希函数，例如MD5、SHA、RIPEMD-160等。哈希函数的特点是能将任何大小的数据转换成固定长度（比如32位、64位）的字符串，这个字符串被称为哈希值或摘要。哈希函数的一个重要特性是，即使是微小的数据变化也会导致生成一个完全不同的哈希值。

即使只改动了一个字符，哈希函数生成的摘要也会有很大的不同。

数字签名主要步骤如下：

1. 创建签名：Susan首先使用哈希函数对原始数据（如文档或消息）进行哈希处理，生成哈希值。

1. 然后，Susan使用自己的私钥对这个哈希值进行加密，生成的结果就是数字签名。

1. 附加签名：数字签名随后被附加到原始数据上，两者一起发送给Bob。

1. 验证签名：Bob收到带有数字签名的数据后，会使用Susan的公钥对数字签名进行验证（Susan的公钥也是公开的，很容易获得），并得到一个哈希值。 Bob用Susan的公钥可以验证成功，证明这条信息的确是Susan发的，因为只有用Susan的私钥生成的数字签名才能用Susan的公钥验证成功，而Susan的私钥只有Susan自己才有。 同时，Bob也会对原始数据执行相同的哈希处理，生成另一个哈希值。如果两个哈希值相同，则证明数据在传输过程中未被篡改。如果两个哈希值不同，那么意味着数据在传输过程中被篡改。

Susan通过数字签名，就能证明文档是自己发的，并且在传输的过程中没有被篡改。

证书颁发机构（CA）

最后，还有个重要的问题，不知道你有没有发现？

既然公钥都是公开的，谁都可以轻易获取， 那么如何保证公钥没有被动手脚呢？

Bob和Susan如何确定手上的公钥就是对方的呢？

如果一个坏蛋冒充Bob，给Susan发送自己的公钥，让Susan以为自己一直在和Bob聊天，这该如何破解？

这时候就要引入证书颁发机构 了。

证书颁发机构（Certificate Authority，简称CA）可以理解为网络安全中的“身份验证中心”，类似于网络世界的护照官。它的主要任务是为数字通信中的参与者（比如网站、应用程序等）提供数字证书，以确保其身份的真实性、数据传输的保密性和完整性。

证书颁发机构工作原理如下：

1. 身份验证：当你想要获得一个数字证书时，你需要向CA申请。CA会通过一系列验证流程来确认你的身份。例如，如果你是一个公司，CA可能会要求看你的营业执照和其他法律文件。
2. 证书生成：一旦身份得到验证，CA会为你创建一个数字证书。这个证书包含了你的公钥（用来加密信息的密钥）和一些身份信息，比如你的名字、公司名或网站地址。
3. 证书签名：为了让其他人能够信任这个证书，CA会用自己的私钥对这个证书进行签名。这个签名就像是CA对这个证书真实性的担保。
4. 证书分发：你将获得的数字证书安装在你的服务器或网站上。当用户访问你的网站时，他们的浏览器会检查这个证书。浏览器已经内置了信任的CA列表，所以它能够验证CA的签名。
5. 安全通信：如果证书验证通过，用户的浏览器就会相信你的网站是安全的，然后就可以开始安全的通信了。比如，用户输入的信息会被用户的电脑使用网站的公钥加密，然后安全地发送到服务器。只有服务器用自己的私钥才能解密这些信息。

有了证书颁发机构，Bob和Susan就可以从证书颁发机构那里获取对方的公钥了，这样就能保证能够获得公钥是可信任的。

非对称加密算法的应用

对称加密和非对称加密

对称加密

对称加密，又称为私钥加密，是指加密和解密使用相同密钥的加密方法。这种加密方式的特点是效率较高，因为算法相对简单，计算速度快，适合大量数据的加密。

非对称加密

非对称加密，就是本文介绍的公钥和私钥加密，是指加密和解密使用一对密钥的加密方法。公钥可以公开，任何人都可以使用它来加密信息；私钥必须保密，只有私钥的拥有者才能用它来解密信息。

对称加密算法简单，速度很快，适合传输大量的数据，而非对称加密算法复杂，速度比较慢，只适合传输重要的数据。

比如我们平时上网，需要传输大量的数据，很适合使用对称加密算法，但是对称加密算法中加密和解密使用的秘钥是同一个，这里有个难点，就是如何把秘钥安全地传送给对方？

其实这个问题已经被完美解决了，这就是HTTPS协议，我们来看下，HTTPS协议是怎么做的。

HTTPS的工作原理

1. 建立连接：当你在浏览器中输入一个使用HTTPS的网址时，客户端会向服务器发起一个连接请求。
2. 返回数字证书：服务器收到请求后，会返回CA颁发的数字证书，其中包含公钥等信息。
3. 证书验证：客户端会验证服务器的证书合法性，包括检查证书颁发机构、有效期等，确认服务器的身份没问题之后，就会获取服务器的公钥。
4. 发送对称密钥：客户端会生成对称加密所需的对称密钥（session key），然后用服务的公钥加密，发送给服务器。
5. 解密信息：服务器收到加密的对称密钥后，会用自己的私钥来解密，这样服务器就获得了对称密钥。
6. 建立安全通道：一旦服务器获得对称秘钥，客户端和服务器之间的“安全通道”就建立起来了，之后的所有通信都会通过这个通道进行对称加密传输，保证传输过程的安全性。

（图片来源：https://github.com/ByteByteGoHq/system-design-101）

HTTPS通过使用非对称加密（公钥和私钥）来传递对称加密所需的对称秘钥（session key），一旦服务器拿到对称秘钥之后，接下来的所有通信都会使用对称加密传输，确保了网站和用户之间的信息传输是加密的、安全的。这样，即使信息在传输过程中被截获，黑客也无法阅读这些信息，因为他们没有用来解密的秘钥。

HTTPS网站加密传输完美结合了对称加密和非对称加密算法的优点，在HTTPS协议中，非对称加密用于初始的密钥交换和身份验证，而对称加密用于后续的数据传输，以此来兼顾效率和安全性。

如此设计，令人赞叹~

参考资料：

http://www.youdzone.com/signature.html

https://time.geekbang.org/column/article/99636?utm_source=u_nav_web&utm_medium=u_nav_web&utm_term=pc_interstitial_1413

https://github.com/ByteByteGoHq/system-design-101