數(shù)字簽名的工作原理以及所面臨的挑戰(zhàn)介紹

數(shù)字簽名是用于驗(yàn)證數(shù)字和數(shù)據(jù)真實(shí)性和完整性的加密機(jī)制。我們可以將其視為傳統(tǒng)手寫簽名方式的數(shù)字化版本，并且相比于簽字具有更高的復(fù)雜性和安全性。

簡而言之，我們可以將數(shù)字簽名理解為附加到消息或文檔中的代碼。在生成數(shù)字簽名之后，其可以作為證明消息從發(fā)送方到接收方的傳輸過程中沒有被篡改的證據(jù)。

雖然使用密碼學(xué)保護(hù)通信機(jī)密性的概念可以追溯到古代，但隨著公鑰密碼學(xué)（PKC）的發(fā)展，數(shù)字簽名方案在20世紀(jì)70年代才成為現(xiàn)實(shí)。因此，要了解數(shù)字簽名的工作原理，我們首先需要了解散列函數(shù)和公鑰加密的基礎(chǔ)知識。

散列函數(shù)

哈希是數(shù)字簽名中的核心要素之一。哈希值的運(yùn)算過程是指將任意長度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長度。這是通過稱為散列函數(shù)的特殊運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過散列函數(shù)運(yùn)算而生成的值稱為哈希值或消息摘要。

當(dāng)哈希值與加密算法相結(jié)合，即使用加密散列函數(shù)的方法來生成散列值（摘要），該值可作為唯一的數(shù)字指紋。這意味著對于輸入數(shù)據(jù)（消息）的任何更改都會導(dǎo)致有完全不同的輸出值（散列值）。這就是加密散列函數(shù)被廣泛用于驗(yàn)證數(shù)字和數(shù)據(jù)真實(shí)性的原因。

公鑰加密（PKC）

公鑰加密或PKC是指使用一對密鑰的加密系統(tǒng)：公鑰和私鑰。這兩個密鑰在數(shù)學(xué)上是相關(guān)的，可用于數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名。

作為一種加密工具，PKC相比于對稱加密具有更高的安全性。對稱加密系統(tǒng)依賴于相同的密鑰進(jìn)行加密和解密信息，但PKC則使用公鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，并使用相應(yīng)的私鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)解密。

除此之外，PKC還可以應(yīng)用于生成數(shù)字簽名。本質(zhì)上，該過程發(fā)送方使用自己的私鑰對消息（數(shù)據(jù)）的哈希值進(jìn)行加密。接下來，消息的接收者可以使用簽名者提供的公鑰來檢查該數(shù)字簽名是否有效。

在某些情況下，數(shù)字簽名本身可能包括了加密的過程，但并非總是這樣。例如，比特幣區(qū)塊鏈?zhǔn)褂肞KC和數(shù)字簽名，而并不像大多數(shù)人所認(rèn)為的，這個過程中并沒有進(jìn)行加密。從技術(shù)上講，比特幣又部署了所謂的橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）來驗(yàn)證交易。

數(shù)字簽名的工作原理

在加密貨幣的背景下，數(shù)字簽名系統(tǒng)通常包含三個基本流程：散列、簽名和驗(yàn)證。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行散列

第一步是對消息或數(shù)據(jù)進(jìn)行散列。通過散列算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，生成哈希值（即消息摘要）來完成的。如上所述，消息的長度可能會有很大差異，但是當(dāng)消息被散列后，它們的哈希值都具有相同的長度。這是散列函數(shù)的最基本屬性。

但是，僅僅將消息進(jìn)行散列并不是生成數(shù)字簽名的必要條件，因?yàn)橐部梢允褂盟借€對沒有進(jìn)行過散列的消息進(jìn)行加密。但對于加密貨幣，消息是需要經(jīng)過散列函數(shù)處理的，因?yàn)樘幚砉潭ㄩL度的哈希值有助于加密貨幣的程序運(yùn)行。

簽名

對信息進(jìn)行散列處理后，消息的發(fā)件人需要對其消息進(jìn)行簽名。這里就用到了公鑰密碼學(xué)。有幾種類型的數(shù)字簽名算法，每種算法都有自己獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)制。本質(zhì)上，都是使用私鑰對經(jīng)過散列的消息（哈希值）進(jìn)行簽名，然后消息的接收者可以使用相應(yīng)的公鑰（由簽名者提供）來檢查其有效性。

換句話說，如果在生成簽名時不使用私鑰，則消息的接收者將不能使用相應(yīng)的公鑰來驗(yàn)證其有效性。公鑰和私鑰都是由消息的發(fā)送者生成的，但僅將公鑰共享給接收者。

需要注意的是，數(shù)字簽名與每條消息的內(nèi)容相關(guān)聯(lián)。因此，與手寫簽名所不同，每條消息的數(shù)字簽名都是不同的。

驗(yàn)證

讓我們舉一個例子說明下整個過程，包括從開始直到最后一步的驗(yàn)證。我們假設(shè)Alice向Bob發(fā)送一條消息、并將該消息進(jìn)行散列得到哈希值，然后將哈希值與她的私鑰結(jié)合起來生成數(shù)字簽名。數(shù)字簽名將作為該消息的唯一數(shù)字指紋。

當(dāng)Bob收到消息時，他可以使用Alice提供的公鑰來檢查數(shù)字簽名的有效性。這樣，Bob可以確定簽名是由Alice創(chuàng)建的，因?yàn)橹挥兴龘碛信c該公鑰所對應(yīng)的私鑰（至少這與我們所假設(shè)的一致）。

因此，Alice需要保管好私鑰至關(guān)重要。如果另一個人拿到了Alice的私鑰，他們就同樣可以創(chuàng)建數(shù)字簽名并偽裝成Alice。在比特幣的背景下，這意味著有人可以使用Alice的私鑰，并可在未經(jīng)她知曉的情況下轉(zhuǎn)移或使用她的比特幣。

為什么數(shù)字簽名很重要？

數(shù)字簽名通常用于實(shí)現(xiàn)以下三方面目標(biāo)：數(shù)據(jù)完整性、身份驗(yàn)證和不可否認(rèn)性。

數(shù)據(jù)完整性。Bob可以驗(yàn)證Alice的消息是否發(fā)生了篡改。消息中的任何變動都會產(chǎn)生完全不同的數(shù)字簽名。

真實(shí)性。只要Alice將其私鑰保管好，Bob就可以使用她的公鑰來確認(rèn)數(shù)字簽名是由Alice本人所創(chuàng)建的，而非其他人所為。

不可否認(rèn)性。生成簽名后，Alice將來無法否認(rèn)簽名該簽名，除非她的私鑰以某種方式泄露出去。

案例

數(shù)字簽名可以應(yīng)用于各種數(shù)字文檔和證書。因此，他們有幾個應(yīng)用程序。一些最常見的案例包括：

信息技術(shù)。增強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的安全性。

金融。數(shù)字簽名可以應(yīng)用于審計(jì)、財(cái)務(wù)報告、貸款協(xié)議等等。

法律。數(shù)字簽名可以應(yīng)用于各種商業(yè)合同和法律協(xié)議，包括政府文件。

衛(wèi)生保健。數(shù)字簽名可以防止處方和醫(yī)療記錄的欺詐。

Blockchain。數(shù)字簽名方案確保只有加密貨幣的合法所有者才能簽署交易，并移動資金（只要他們的私鑰不受侵害）。

局限性

數(shù)字簽名方案面臨的主要挑戰(zhàn)主要局限于以下三方面因素：

算法。數(shù)字簽名方案中使用的算法對質(zhì)量要求很高。其中包括可靠的散列函數(shù)和加密系統(tǒng)的選擇。

實(shí)施。如果算法很完備，但卻沒有一個良好的實(shí)施方案，數(shù)字簽名系統(tǒng)也可能會出現(xiàn)隱患。

私鑰。如果私鑰丟失或以某種方式泄露，則真實(shí)性和不可否認(rèn)性將得不到保證。對于加密貨幣用戶而言，丟失私鑰可能會導(dǎo)致重大的財(cái)產(chǎn)損失。

電子簽名與數(shù)字簽名

簡而言之，數(shù)字簽名可以理解為是一種特定類型的電子簽名，特指使用電子化的方式簽署文檔和消息。因此，所有數(shù)字簽名都可認(rèn)為是電子簽名，但反之并非如此。

它們之間的主要區(qū)別在于身份驗(yàn)證方式。數(shù)字簽名需要部署加密系統(tǒng)，例如散列函數(shù)、公鑰加密和加密技術(shù)。

總結(jié)

散列函數(shù)和公鑰加密是數(shù)字簽名系統(tǒng)的核心，現(xiàn)已在各種案例中使用。如果實(shí)施得當(dāng)，數(shù)字簽名可以提高安全性，確保完整性，便于對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行身份驗(yàn)證。

在區(qū)塊鏈領(lǐng)域，數(shù)字簽名用于簽署和授權(quán)加密貨幣交易。它們對比特幣尤為重要，因?yàn)閿?shù)字簽名能夠確保代幣只能由擁有相應(yīng)私鑰的人使用。

雖然我們多年來一直使用電子和數(shù)字簽名，但仍有很大的發(fā)展空間。如今大部分的公文仍然還是基于紙質(zhì)材料，但隨著更多的系統(tǒng)遷移到數(shù)字化中，我們還會看到更多的數(shù)字簽名方案。