区块链数字签名如何应对2025年量子计算威胁？

咔咔 2025-11-14 4 抢沙发

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摘要： 可以把数字签名理解为区块链世界里的“电子身份证 + 亲手盖章”，它解决了两个核心问题：“我是谁”（身份认证）和“我同意”（授权交易），并且保证了信息的不可否认性和完整性，数字签名是...

可以把数字签名理解为区块链世界里的“电子身份证 + 亲手盖章”，它解决了两个核心问题：“我是谁”（身份认证）和“我同意”（授权交易），并且保证了信息的不可否认性和完整性。

数字签名是什么？（核心思想）

想象一下现实世界中的签名：

数字签名就是把这个过程数字化和加密化了,它依赖于一个非对称加密体系。

数字签名的基础是非对称加密,它包含两个密钥：

私钥:
- 谁拥有？ 用户自己，相当于你的“数字笔”或“数字印章”，绝对保密,绝不外泄。
- 用途： 签名，用户用私钥对交易信息进行加密，生成独一无二的数字签名,只有拥有私钥的人才能完成这个操作。
公钥:
- 谁拥有？ 公开给任何人，相当于你的“数字印章拓印”,可以自由分发。
- 用途： 验证签名，任何人都可以用你的公钥来验证你用私钥生成的签名是否有效,从而确认交易确实是由你发起的。

一个简单的比喻：

我们以Alice给Bob转账1个比特币为例,看看数字签名是如何一步步工作的：

Alice 决定向 Bob 的地址 Bob_Address 转账 1 BTC，她创建一笔原始交易信息,这个信息通常包括：

这个原始交易信息是明文的,任何人都可以看到。

Alice 使用她的私钥，对这笔交易信息（或其哈希值）进行加密，生成一个独一无二的数字签名，这个过程就像她用自己的私钥“盖章”。

关键点： 签名过程通常是使用哈希函数（如 SHA-256）先对交易信息生成一个固定长度的摘要，然后再用私钥对这个摘要进行加密,这样做更高效和安全。

Alice 拥有两样东西准备广播：

Alice 将这两样东西打包成一个交易包，广播到整个比特币网络中,等待矿工打包。

网络中的每一个节点（包括矿工）在收到这笔交易后,都会进行验证：

获取公钥： 节点从 Alice 的地址中解析出她的公钥，注意，地址是从公钥通过一系列哈希和编码生成的，所以地址本身不直接暴露公钥,但验证时可以从交易中或通过其他方式关联到公钥。
执行验证： 节点使用 Alice 的公钥和明文交易信息，对收到的数字签名进行解密和验证。
- Verify(交易信息, 数字签名, Alice的公钥)
验证结果：
- 如果验证通过，说明这笔交易确实是由 Alice 的私钥签名的，也就是 Alice 本人授权的,节点会接受这笔交易。
- 如果验证失败，说明交易信息被篡改过，或者签名不是用 Alice 的私钥生成的,节点会拒绝这笔交易。

数字签名是区块链去中心化和安全性的基石,它带来了四个至关重要的特性：

身份认证
- 作用： 证明交易是由地址的合法所有者发起的。
- 解释： 因为你只有拥有私钥才能生成有效的签名，所以一个有效的签名就证明了操作者就是该地址的拥有者，这解决了“你是谁”的问题。
数据完整性
- 作用： 确保交易信息在签名后未被篡改。
- 解释： 数字签名是基于交易信息的哈希值生成的，如果交易的任何一个字节（比如转账金额、接收方地址）被修改，那么它的哈希值就会完全改变，用原来的签名去验证一个被修改过的交易，必然会失败，这保证了交易内容是“原汁原味”的。
不可否认性
- 作用： 签名者无法否认自己做过的事情。
- 解释： 由于私钥只有签名者自己持有，他无法声称“我的私钥被盗了”或“我没签过名”，因为有效的签名就是他用私钥亲自操作的铁证,这在法律和商业上具有重大意义。
防止伪造
- 作用： 任何人无法伪造他人的签名。
- 解释： 由于公钥和私钥的数学关联性，仅凭公钥是无法反推出私钥的，即使有人知道了你的公钥和你的交易信息,他也无法计算出你的私钥来伪造一个有效的签名。

区块链账本： 一个公开的、所有人都可看的保险库大门。
你的比特币地址： 保险库中属于你的那个储物柜编号，这个编号是公开的,大家都可以看到。
你的私钥： 开启你那个储物柜的唯一一把钥匙，这把钥匙你必须自己保管好,绝不能给别人。
你的公钥： 这把钥匙的锁孔模型，你可以把这个模型公开给全世界,让大家知道什么样的钥匙能打开你的锁。
交易： 你决定从你的储物柜里拿出一个金币（UTXO），放进 Bob 的储物柜里。
数字签名： 你用你的唯一钥匙（私钥）在一张“取货单”（交易信息）上盖了一个章。
验证过程： 仓库管理员（网络节点）看到你盖了章的取货单，他会拿出你的锁孔模型（公钥）去检查这个章是不是真的能匹配，如果匹配,他就允许你执行这个操作。