数字签名：数字数据的真实性和完整性的加密机制
数字签名是一种加密机制，用于验证数字数据的真实性和完整性。它可以被视为普通手写签名的数字版本，但具有更高的复杂性和安全性。简单来说，数字签名就是附加在消息或文档上的代码，生成后，它证明消息在从发送者到接收者的传输过程中未被篡改。
尽管使用加密技术保护通信的概念可以追溯到古代，但数字签名方案在1970年代才成为可能，这要归功于公钥加密（PKC）的发展。要了解数字签名如何工作，我们首先需要理解哈希函数和公钥加密的基础知识。
哈希函数
哈希是数字签名系统的核心元素之一。哈希过程涉及将任意大小的数据转换为固定大小的输出，这由称为哈希函数的特殊算法完成。哈希函数生成的输出称为哈希值或消息摘要。当与加密技术结合时，所谓的加密哈希函数可以生成一个作为唯一数字指纹的哈希值（摘要）。这意味着输入数据（消息）中的任何变化都会导致完全不同的输出（哈希值）。这就是为什么加密哈希函数被广泛用于验证数字数据的真实性的原因。
公钥加密（PKC）
公钥加密，或称PKC，是一种使用一对密钥的加密系统：一个公钥和一个私钥。这两个密钥在数学上是相关的，可以用于数据加密和数字签名。作为加密工具，PKC比对称加密的更基本方法更安全。虽然旧系统依赖于相同的密钥来加密和解密信息，但PKC允许使用公钥加密数据，并使用相应的私钥解密数据。
此外，PKC方案还可以用于生成数字签名。本质上，该过程包括将消息（或数字数据）与签名者的私钥一起进行哈希处理。接下来，消息的接收者可以使用签名者提供的公钥来检查签名的有效性。
在某些情况下，数字签名可能涉及加密，但并非总是如此。例如，比特币区块链使用PKC和数字签名，但与许多人认为的不同，过程中没有加密。技术上，比特币部署了所谓的椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来验证交易的真实性。
数字签名如何工作
在加密货币的背景下，数字签名系统通常包括三个基本步骤：哈希、签名和验证。
哈希数据
第一步是哈希消息或数字数据。这是通过将数据提交给哈希算法来完成的，从而生成一个哈希值（即消息摘要）。如前所述，消息的大小可能有很大差异，但当它们被哈希时，所有哈希值的长度都是相同的。这是哈希函数的最基本属性。
然而，哈希数据并不是生成数字签名的必需步骤，因为一个人可以使用私钥来签署未经哈希处理的消息。但对于加密货币，数据总是被哈希处理，因为处理固定长度的摘要有助于简化整个过程。
签名
信息被哈希处理后，消息的发送者需要对其进行签名。这是公钥加密发挥作用的时刻。有几种类型的数字签名算法，每种都有其特定的机制。但本质上，哈希消息将使用私钥进行签名，然后消息的接收者可以使用相应的公钥（由签名者提供）来检查其有效性。
换句话说，如果生成签名时不包括私钥，消息的接收者将无法使用相应的公钥来验证其有效性。公钥和私钥都是由消息的发送者生成的，但只有公钥与接收者共享。
值得注意的是，数字签名直接与每条消息的内容相关。因此，与手写签名不同，后者通常不论消息如何都相同，每条经过数字签名的消息将具有不同的数字签名。
验证
让我们通过一个例子来说明整个过程，直到验证的最后一步。假设Alice给Bob写了一条消息，对其进行哈希处理，然后将哈希值与她的私钥结合生成一个数字签名。该签名将作为该特定消息的唯一数字指纹。
当Bob收到消息时，他可以使用Alice提供的公钥来检查数字签名的有效性。这样，Bob可以确定签名是由Alice创建的，因为只有她拥有与该公钥对应的私钥（至少我们期望如此）。
因此，Alice保守私钥的秘密至关重要。如果其他人获得了Alice的私钥，他们可以创建数字签名并冒充Alice。在比特币的背景下，这意味着有人可以使用Alice的私钥在未经她许可的情况下移动或花费她的比特币。
为什么数字签名重要？
数字签名通常用于实现三个结果：数据完整性、认证和不可否认性。
- 数据完整性。Bob可以验证Alice的消息在传输过程中未被更改。消息中的任何修改都会产生完全不同的签名。
- 认证。只要Alice的私钥保密，Bob就可以使用她的公钥确认数字签名是由Alice而不是其他人创建的。
- 不可否认性。一旦签名生成，Alice将来将无法否认她曾签署过它，除非她的私钥以某种方式被泄露。
应用案例
数字签名可以应用于各种类型的数字文档和证书。因此，它们有许多应用。一些最常见的用例包括：
- 信息技术。增强互联网通信系统的安全性。
- 金融。数字签名可以用于审计、费用报告、贷款协议等更多方面。
- 法律。数字签署各种商业合同和法律协议，包括政府文件。
- 医疗保健。数字签名可以防止处方和医疗记录的欺诈行为。
- 区块链。数字签名方案确保只有加密货币的合法所有者能够签署交易以移动资金（只要他们的私钥未被泄露）。
限制
数字签名方案面临的主要挑战至少依赖于三个要求：
- 算法。用于数字签名方案的算法质量很重要。这包括选择可靠的哈希函数和加密系统。
- 实现。如果算法很好，但实现不佳，数字签名系统可能会出现缺陷。
- 私钥。如果私钥泄露或以某种方式被泄露，认证和不可否认性的属性将失效。对于加密货币用户来说，丢失私钥可能导致重大经济损失。
电子签名与数字签名
简单来说，数字签名是电子签名的一种特定类型，后者指的是任何用于签署文档和消息的电子方法。因此，所有数字签名都是电子签名，但反之不总是成立的。
它们之间的主要区别在于认证方法。数字签名部署了加密系统，如哈希函数、公钥加密和加密技术。
结语
哈希函数和公钥加密是数字签名系统的核心，现在被应用于广泛的用例中。如果正确实现，数字签名可以提高安全性，确保完整性，并促进各种数字数据的认证。
在区块链领域，数字签名用于签署和授权加密货币交易。它们对比特币尤为重要，因为签名确保只有拥有相应私钥的个人才能花费这些币。
尽管我们已经使用电子和数字签名多年，但仍有很大的增长空间。当今的大部分官僚作风仍然基于纸质文件，但随着我们向更数字化的系统迁移，我们可能会看到更多数字签名方案的采用。
