區塊鏈:數字化契約如何守護？密碼學數字簽名共性解析

作者：嚴強/微眾銀行區塊鏈安全科學家

來源：微眾銀行區塊鏈微信公眾號

原文：https://mp.weixin.qq.com/s/To4HBNGUtfme1X7gZhXyfA

數字簽名有哪些形式？相比其他簽名形式，密碼學數字簽名優勢幾何？具備哪些獨有功能？使用過程中又潛藏何等風險？

簽名生效的契約是保障商業活動有序進行的核心手段之一。通過承諾的形式對預期在未來發生的商業行為進行約定，約定雙方將履行約定看作是一種義務，任意一方違背承諾，都可以通過法律手段進行追訴，以此保障約定的行為最終得到履行。

除開商業活動，契約保障對于涉及多方之間價值交換的其他活動同樣至關重要。承載價值的各類權益，在實際交換過程中，一般都有先后順序，需要通過契約來保證相關的交換流程都能如期完成，防止先得到權益的一方惡意中斷流程，致使其他參與方未能得到約定權益，造成不必要的損失。

Aptos聯創：希望創造新型數字化信息共享方式來提供經濟價值:金色財經報道，Aptos聯合創始人兼首席執行官Mo Shaikh在播客節目中表示，Aptos的使命是創造一種新的數字化信息共享形式，讓用戶能夠以更有效、更公平的方式共享信息和經濟價值。Aptos與前幾代區塊鏈和擴展解決方案相媲美，而且正在挑戰互聯網以及經濟價值。

此外，Mo Shaikh稱，2023年Aptos計劃將其打造成“意向年”，更多大型傳統企業將進入加密領域。Aptos希望在不停機的情況下覆蓋數十億人，同時提供每秒數千次交易和亞秒級延遲。（TechCrunch）[2023/1/30 11:36:16]

在上述過程中，簽名機制是確保契約合法性和有效性的關鍵。

在信息化時代，如何借助技術手段實現有效的簽名機制，那就不得不提以密碼學數字簽名為代表的數字簽名技術。本文作為數字簽名系列的開篇，對密碼學數字簽名中的共性特征進行逐一解析。

1.密碼學數字簽名的優勢

本質上，簽名機制是對“誰認同了什么”的一個約束，這一約束將

簽名主體和

實物資產數字化交易平臺“幻物”宣布獲得天使輪融資:12月31日消息，實物資產數字化交易平臺“幻物”宣布獲得天使輪融資，由國內天使投資人馮濤領投，上海量緯大數據科技有限公司跟投。

據悉，“幻物”依靠扎實的底層技術自建聯盟鏈、對實體商品提供NFT上鏈及發行服務。利用區塊鏈技術同時解決交易效率和信任的問題，并能夠通過出色的智能合約自主編輯，為傳統品牌重構版權體系。[2021/12/31 8:17:21]

契約內容通過

簽名關聯了起來，并同時滿足以下基本特性：

防仿冒：如果不是簽名主體，無法仿冒簽名主體進行簽名。

防篡改：如果契約內容被篡改，原有的簽名便會失效。

可驗證：簽名的有效性可以通過技術手段進行驗證。

人類歷史發展的不同階段，曾經為不同契約載體引入過不同的簽名機制。在信息化時代到來之前，契約主要記載在物理介質上，如羊皮、紙、竹簡等。除了手寫簽名之外，最常見的簽名機制就是印章。

《史記》中就有“青泥封書”的記載。早在戰國時期，古人將竹簡捆扎之后，使用黏土封住繩結，并蓋上印章，防止私拆和篡改，史稱竹簡封。基于類似技術，后續還出現了木牘封、棉紙封、火漆封等。尤其是使用紅色封蠟的火漆封，在中西文明中有過輝煌的歷史，被用于機要信件的身份鑒別和防篡改，并由此派生出各式各樣的印章文化。

螞蟻集團蔣國飛：跨境貿易數字化進程勢不可擋，區塊鏈等技術將產生深遠影響:10月13日消息，螞蟻集團副總裁蔣國飛在2021全球數字貿易大會數字科技與貿易主題會議上強調數字技術對于跨境貿易帶來不可小覷的效率提升，他表示，“跨境貿易數字化進程勢不可擋，區塊鏈等數字技術的應用將對全球貿易格局產生深遠影響。”蔣國飛說：“應用區塊鏈等數字技術，可以讓跨境貿易更加智能、簡單和可靠。區塊鏈將完整的端到端貿易價值鏈數字化，從而帶來確定性和信任。”（每日經濟新聞）[2021/10/13 20:25:22]

直至今日，印章依舊在契約制定中起著關鍵作用。在各類合同中，對紙質文件加蓋印章是合同生效的必要條件。用印是一個十分嚴肅的過程，往往需要對于合同中每一處關鍵信息，都蓋上印章確保其不被篡改。對于多頁合同，往往還需要加蓋騎縫章，保證合同內容的連續性。

即便如此，哪怕花費了大量人工，在紙面上蓋滿了印章，也很難保證所有信息都能受到印章保護。因此，以印章為代表的傳統簽名機制在處理包含大量信息的契約時，面臨顯著的效率和有效性問題。

這些問題恰恰也是數字簽名設計中需要攻克的要點。

區塊鏈等新技術助推企業數字化采購高速發展:7月1日，中國電子信息產業發展研究院和中國國際電子商務中心研究院聯合發布了《中國企業數字化采購發展報告2019》。報告指出，我國企業數字化采購今年將超萬億元。隨著大數據、云計算、物聯網、區塊鏈及人工智能等新技術飛速發展，數字經濟時代快速到來，企業采購正加速由單純的線上采購行為拓展至采購管理、供應鏈服務乃至全產業鏈服務，以全流程、全鏈條數字化為主導的采購服務鏈正在向價值鏈延伸，企業電子商務采購加速進入數字化采購階段。（泉州晚報）[2020/7/2]

如果簡單地將傳統簽名進行數字化處理，使用其數字化影像來直接用作數字簽名，能不能解決以上問題呢？

顯然答案是否定的。尤其對于防仿冒和防篡改，任何人一旦獲得到一份簽名的數字化影像，都可以無限復制并應用到任意契約內容上，這可能會為簽名主體帶來難以估量的損失。

為了防止攻擊者輕易生成偽造的數字簽名，簽名的生成過程需要引入只有簽名主體才知道的秘密參數，由此便可構造密碼學數字簽名，對應的秘密參數就是密碼學簽名算法中的密鑰。

聲音 | Morgan Creek創始人：所有股票、債券、貨幣和商品終會數字化:Morgan Creek創始人Anthony Pompliano發推稱：隨著時間的推移，每一種股票、債券、貨幣和商品都會數字化。這種趨勢已經在發生，而且不會很快停止[2019/7/26]

一般而言，密碼學數字簽名在滿足以上基本特性之外，可以選擇性地引入更豐富的特性，例如：

防抵賴：除了簽名主體，其他人無法生成有效的簽名，所以簽名主體無法抵賴，對應的簽名可以具備法律效力。

公開可驗證：簽名主體無需公開自己用于簽名的私鑰，第三方通過對應的公鑰即可完成簽名有效性的驗證。

這些特性可以用來支持數字化經濟中各式各樣的數字化契約，對于需要進行多方協商的約定，在現行的法律框架下，一般都可以采用對應的密碼學數字簽名進行有效地保障。

2.密碼學數字簽名分類

在現實業務中，對于契約可以有很多形式，因此也對數字簽名產生了非常多樣化的功能需求。

限于篇幅，這里僅對主要的密碼學數字簽名算法類別進行列舉，具體技術細節將在本系列的后續文章中展開。

對于傳統簽名機制難以實現的效果，如隱匿簽名主體身份、隱匿契約內容、快速驗證海量簽名，密碼學數字簽名都可以在保持簽名機制防仿冒、防篡改、可驗證基本特性的前提下，提供有效的技術方案，也可以進一步擴展，支持其他非常規效果，如提供定向簽名驗證的變色龍簽名等。

由此可見，相比傳統簽名機制，密碼學數字簽名可以滿足更加豐富的業務需求。

3.密碼學數字簽名認證體系

盡管具體密碼學數字簽名算法各有差異，構建一個有效的密碼學簽名認證體系一般都會用到一系列共性技術。以基于公鑰密碼學算法的數字簽名為例，常見的共性技術如下：

數據摘要算法：將任意長度的數據縮減成簽名算法能夠處理的數據長度，生成與原數據內容強綁定的數據摘要，常用的有各類單向哈希算法（參見

第9論），如國密SM3，SHA-3等。

簽名算法：使用簽名主體的私鑰，對數據摘要進行運算，生成數字簽名，并提供基于公鑰的數字簽名驗證，常用的有國密SM2、ECDSA、RSA簽名等。

PKI公鑰證書服務：提供安全的公鑰分發服務，確保用于驗證簽名的公鑰確實屬于簽名主體，常用的有X.509公鑰證書服務。

對照傳統簽名技術，數據摘要算法相當于捆扎文件的封條，簽名算法相當于封條上蓋的代表身份的印章，PKI公鑰證書服務相當于識別印章有效性的官方圖鑒，這三類技術缺一不可。

值得注意的是，盡管破解密碼學數字簽名比攻擊傳統簽名的技術難度會高很多，但隨著軟硬件技術的發展，還是有可能對現有技術進行成功攻擊的，為此有必要充分了解相關安全風險。

如果數據摘要算法出現安全問題

攻擊者就可以在保持原有簽名不變的前提下，任意替換契約內容。2017年，Google演示了首例對SHA-1單向哈希算法碰撞攻擊SHAttered，以單GPU運算110年的代價為精心篡改過的PDF文件生成了與原文件完全一樣的SHA-1哈希值。因此，使用過時或已知不安全的數據摘要算法會極大影響數字簽名的

防篡改性。

如果簽名算法出現安全問題

攻擊者可以結合數字簽名和原文件提取出簽名所用的私鑰，并使用該私鑰仿冒簽名主體，對未授權的契約進行簽名。例如，目前基于橢圓曲線的簽名算法設計都不具備抗量子特性，一旦量子計算實用化，就會對現有數字簽名的

防仿冒性產生巨大沖擊。

如果PKI公鑰證書服務出現安全問題

攻擊者可以使用惡意軟件、木馬、病等非密碼學攻擊手段侵入PKI公鑰證書服務，使用自己的公鑰證書，來替換簽名主體的公鑰證書，隨后便可任意使用自己的私鑰對未授權的契約進行簽名。

另一類相關攻擊是攻擊者通過某些手段竊取了簽名主體的私鑰，簽名主體已經完成了公鑰證書的掛失，但PKI公鑰證書服務未能對公鑰證書的黑名單進行及時更新。在這些攻擊的影響下，第三方可能無法通過PKI公鑰證書服務來有效辨識簽名所用的公鑰是否真正屬于簽名主體，所以會對最終簽名結果的可驗證性造成顯著影響。

盡管風險點不少，但作為全行業普遍使用且廣泛認可的一類密碼學技術，密碼學數字簽名還是一個非常有效的契約認證體系。企業務必需要遵循各類國家和行業相關技術規范，使用行業內標準化的技術實現，對數字簽名系統進行及時更新和升級，最小化相關技術風險。

正是：數字契約一諾值千金，密碼技術一簽抵九鼎！

密碼學數字簽名作為現代商業中保障契約有效性的核心技術，對于完成經濟數字化轉型、業務在線化、產業數字化升級都至關重要。基于不同的業務需求，密碼學數字簽名可以提供不同的技術方案，滿足傳統簽名機制難以滿足的特性，在保障契約效力的前提下，支持更加多樣化的業務創新。

在密碼學數字簽名諸多高級特性中，最常提及的便是隱匿簽名主體的身份，技術上究竟如何實現，欲知詳情，敬請關注下文分解。

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Luna