摘要：区块链中签名算法什么意思A.区块链的密码技术有密码学技术是区块链技术的核心。区块链的密码技术有数字签名算法和哈希算法。数字签名算法数字签名算法是数字签名标准的...

区块链中签名算法什么意思

A. 区块链的密码技术有

密码学技术是区块链技术的核心。区块链的密码技术有数字签名算法和哈希算法。
数字签名算法
数字签名算法是数字签名标准的一个子集，表示了只用作数字签名的一个特定的公钥算法。密钥运行在由SHA-1产生的消息哈希：为了验证一个签名，要重新计算消息的哈希，使用公钥解密签名然后比较结果。缩写为DSA。

数字签名是电子签名的特殊形式。到目前为止，至少已经有 20 多个国家通过法律 认可电子签名，其中包括欧盟和美国，我国的电子签名法于 2004 年 8 月 28 日第十届全 国人民代表大会常务委员会第十一次会议通过。数字签名在 ISO 7498-2 标准中定义为： “附加在数据单元上的一些数据，或是对数据单元所作的密码变换，这种数据和变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元来源和数据单元的完整性，并保护数据，防止被人（例如接收者）进行伪造”。数字签名机制提供了一种鉴别方法，以解决伪造、抵赖、冒充和篡改等问题，利用数据加密技术、数据变换技术，使收发数据双方能够满足两个条件：接收方能够鉴别发送方所宣称的身份；发送方以后不能否认其发送过该数据这一 事实。
数字签名是密码学理论中的一个重要分支。它的提出是为了对电子文档进行签名，以 替代传统纸质文档上的手写签名，因此它必须具备 5 个特性。
（1）签名是可信的。
（2）签名是不可伪造的。
（3）签名是不可重用的。
（4）签名的文件是不可改变的。
（5）签名是不可抵赖的。
哈希（hash）算法
Hash，就是把任意长度的输入（又叫做预映射， pre-image），通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。这种转换是一种压缩映射，其中散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，但是不可逆向推导出输入值。简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。
哈希（Hash）算法，它是一种单向密码体制，即它是一个从明文到密文的不可逆的映射，只有加密过程，没有解密过程。同时，哈希函数可以将任意长度的输入经过变化以后得到固定长度的输出。哈希函数的这种单向特征和输出数据长度固定的特征使得它可以生成消息或者数据。
以比特币区块链为代表，其中工作量证明和密钥编码过程中多次使用了二次哈希，如SHA(SHA256(k))或者RIPEMD160(SHA256(K)),这种方式带来的好处是增加了工作量或者在不清楚协议的情况下增加破解难度。
以比特币区块链为代表，主要使用的两个哈希函数分别是：
1.SHA-256，主要用于完成PoW（工作量证明）计算；
2.RIPEMD160，主要用于生成比特币地址。如下图1所示，为比特币从公钥生成地址的流程。

B. 什么是区块链加密算法

区块链加密算法（EncryptionAlgorithm）
非对称加密算法是一个函数，通过使用一个加密钥匙，将原来的明文文件或数据转化成一串不可读的密文代码。加密流程是不可逆的，只有持有对应的解密钥匙才能将该加密信息解密成可阅读的明文。加密使得私密数据可以在低风险的情况下，通过公共网络进行传输，并保护数据不被第三方窃取、阅读。
区块链技术的核心优势是去中心化，能够通过运用数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段，在节点无需互相信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易、协调与协作，从而为解决中心化机构普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供了解决方案。
区块链的应用领域有数字货币、通证、金融、防伪溯源、隐私保护、供应链、娱乐等等，区块链、比特币的火爆，不少相关的top域名都被注册，对域名行业产生了比较大的影响。

C. 什么是数字签名

数字签名是用于验证数字和数据真实性和完整性的加密机制。我们可以将其视为传统手写签名方式的数字化版本，并且相比于签字具有更高的复杂性和安全性。

简而言之，我们可以将数字签名理解为附加到消息或文档中的代码。在生成数字签名之后，其可以作为证明消息从发送方到接收方的传输过程中没有被篡改的证据。

虽然使用密码学保护通信机密性的概念可以追溯到古代，但随着公钥密码学（PKC）的发展，数字签名方案在20世纪70年代才成为现实。因此，要了解数字签名的工作原理，我们首先需要了解散列函数和公钥加密的基础知识。

哈希是数字签名中的核心要素之一。哈希值的运算过程是指将任意长度的数据转换为固定长度。这是通过称为散列函数的特殊运算实现的。经过散列函数运算而生成的值称为哈希值或消息摘要。

当哈希值与加密算法相结合，即使用加密散列函数的方法来生成散列值（摘要），该值可作为唯一的数字指纹。这意味着对于输入数据（消息）的任何更改都会导致有完全不同的输出值（散列值）。这就是加密散列函数被广泛用于验证数字和数据真实性的原因。

公钥加密或PKC是指使用一对密钥的加密系统：公钥和私钥。这两个密钥在数学上是相关的，可用于数据加密和数字签名。

作为一种加密工具，PKC相比于对称加密具有更高的安全性。对称加密系统依赖于相同的密钥进行加密和解密信息，但PKC则使用公钥进行数据加密，并使用相应的私钥进行数据解密。

除此之外，PKC还可以应用于生成数字签名。本质上，该过程发送方使用自己的私钥对消息（数据）的哈希值进行加密。接下来，消息的接收者可以使用签名者提供的公钥来检查该数字签名是否有效。

在某些情况下，数字签名本身可能包括了加密的过程，但并非总是这样。例如，比特币区块链使用PKC和数字签名，而并不像大多数人所认为的，这个过程中并没有进行加密。从技术上讲，比特币又部署了所谓的椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来验证交易。

在加密货币的背景下，数字签名系统通常包含三个基本流程：散列、签名和验证。

第一步是对消息或数据进行散列。通过散列算法对数据进行运算，生成哈希值（即消息摘要）来完成的。如上所述，消息的长度可能会有很大差异，但是当消息被散列后，它们的哈希值都具有相同的长度。这是散列函数的最基本属性。

但是，仅仅将消息进行散列并不是生成数字签名的必要条件，因为也可以使用私钥对没有进行过散列的消息进行加密。但对于加密货币，消息是需要经过散列函数处理的，因为处理固定长度的哈希值有助于加密货币的程序运行。

对信息进行散列处理后，消息的发件人需要对其消息进行签名。这里就用到了公钥密码学。有几种类型的数字签名算法，每种算法都有自己独特的运行机制。本质上，都是使用私钥对经过散列的消息（哈希值）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，如果在生成签名时不使用私钥，则消息的接收者将不能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，但仅将公钥共享给接收者。

需要注意的是，数字签名与每条消息的内容相关联。因此，与手写签名所不同，每条消息的数字签名都是不同的。

让我们举一个例子说明下整个过程，包括从开始直到最后一步的验证。我们假设Alice向Bob发送一条消息、并将该消息进行散列得到哈希值，然后将哈希值与她的私钥结合起来生成数字签名。数字签名将作为该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所对应的私钥（至少这与我们所假设的一致）。

因此，Alice需要保管好私钥至关重要。如果另一个人拿到了Alice的私钥，他们就同样可以创建数字签名并伪装成Alice。在比特币的背景下，这意味着有人可以使用Alice的私钥，并可在未经她知晓的情况下转移或使用她的比特币。

数字签名通常用于实现以下三方面目标：数据完整性、身份验证和不可否认性。

数字签名可以应用于各种数字文档和证书。因此，他们有几个应用程序。一些最常见的案例包括：

数字签名方案面临的主要挑战主要局限于以下三方面因素：

简而言之，数字签名可以理解为是一种特定类型的电子签名，特指使用电子化的方式签署文档和消息。因此，所有数字签名都可认为是电子签名，但反之并非如此。

它们之间的主要区别在于身份验证方式。数字签名需要部署加密系统，例如散列函数、公钥加密和加密技术。

散列函数和公钥加密是数字签名系统的核心，现已在各种案例中使用。如果实施得当，数字签名可以提高安全性，确保完整性，便于对各类数据进行身份验证。

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，因为数字签名能够确保代币只能由拥有相应私钥的人使用。

虽然我们多年来一直使用电子和数字签名，但仍有很大的发展空间。如今大部分的公文仍然还是基于纸质材料，但随着更多的系统迁移到数字化中，我们还会看到更多的数字签名方案。

D. 怎么解读区块链的数字签名

在区块链的分布式网络里，节点之间进行通讯并达成信任，需要依赖数字签名技术，它主要实现了身份确认以及信息真实性、完整性验证。

数字签名

数字签名(又称公钥数字签名、电子签章)是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。就是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。简单证明 “我就是我”。

E. 【深度知识】区块链之加密原理图示(加密,签名)

先放一张以太坊的架构图：

在学习的过程中主要是采用单个模块了学习了解的，包括P2P,密码学，网络，协议等。直接开始总结：

秘钥分配问题也就是秘钥的传输问题，如果对称秘钥，那么只能在线下进行秘钥的交换。如果在线上传输秘钥，那就有可能被拦截。所以采用非对称加密，两把钥匙，一把私钥自留，一把公钥公开。公钥可以在网上传输。不用线下交易。保证数据的安全性。

如上图，A节点发送数据到B节点，此时采用公钥加密。A节点从自己的公钥中获取到B节点的公钥对明文数据加密，得到密文发送给B节点。而B节点采用自己的私钥解密。

2、无法解决消息篡改。

如上图，A节点采用B的公钥进行加密，然后将密文传输给B节点。B节点拿A节点的公钥将密文解密。

1、由于A的公钥是公开的，一旦网上黑客拦截消息，密文形同虚设。说白了，这种加密方式，只要拦截消息，就都能解开。

2、同样存在无法确定消息来源的问题，和消息篡改的问题。

如上图，A节点在发送数据前，先用B的公钥加密，得到密文1，再用A的私钥对密文1加密得到密文2。而B节点得到密文后，先用A的公钥解密，得到密文1，之后用B的私钥解密得到明文。

1、当网络上拦截到数据密文2时， 由于A的公钥是公开的，故可以用A的公钥对密文2解密，就得到了密文1。所以这样看起来是双重加密，其实最后一层的私钥签名是无效的。一般来讲，我们都希望签名是签在最原始的数据上。如果签名放在后面，由于公钥是公开的，签名就缺乏安全性。

2、存在性能问题，非对称加密本身效率就很低下，还进行了两次加密过程。

如上图，A节点先用A的私钥加密，之后用B的公钥加密。B节点收到消息后，先采用B的私钥解密，然后再利用A的公钥解密。

1、当密文数据2被黑客拦截后，由于密文2只能采用B的私钥解密，而B的私钥只有B节点有，其他人无法机密。故安全性最高。
2、当B节点解密得到密文1后， 只能采用A的公钥来解密。而只有经过A的私钥加密的数据才能用A的公钥解密成功，A的私钥只有A节点有，所以可以确定数据是由A节点传输过来的。

经两次非对称加密，性能问题比较严重。

基于以上篡改数据的问题，我们引入了消息认证。经过消息认证后的加密流程如下：

当A节点发送消息前，先对明文数据做一次散列计算。得到一个摘要, 之后将照耀与原始数据同时发送给B节点。当B节点接收到消息后，对消息解密。解析出其中的散列摘要和原始数据，然后再对原始数据进行一次同样的散列计算得到摘要1, 比较摘要与摘要1。如果相同则未被篡改，如果不同则表示已经被篡改。

在传输过程中，密文2只要被篡改，最后导致的hash与hash1就会产生不同。

无法解决签名问题，也就是双方相互攻击。A对于自己发送的消息始终不承认。比如A对B发送了一条错误消息，导致B有损失。但A抵赖不是自己发送的。

在(三)的过程中，没有办法解决交互双方相互攻击。什么意思呢？ 有可能是因为A发送的消息，对A节点不利，后来A就抵赖这消息不是它发送的。

为了解决这个问题，故引入了签名。这里我们将(二)-4中的加密方式，与消息签名合并设计在一起。

在上图中，我们利用A节点的私钥对其发送的摘要信息进行签名，然后将签名+原文，再利用B的公钥进行加密。而B得到密文后，先用B的私钥解密，然后 对摘要再用A的公钥解密，只有比较两次摘要的内容是否相同。这既避免了防篡改问题，有规避了双方攻击问题。因为A对信息进行了签名，故是无法抵赖的。

为了解决非对称加密数据时的性能问题，故往往采用混合加密。这里就需要引入对称加密，如下图:

在对数据加密时，我们采用了双方共享的对称秘钥来加密。而对称秘钥尽量不要在网络上传输，以免丢失。这里的共享对称秘钥是根据自己的私钥和对方的公钥计算出的，然后适用对称秘钥对数据加密。而对方接收到数据时，也计算出对称秘钥然后对密文解密。

以上这种对称秘钥是不安全的，因为A的私钥和B的公钥一般短期内固定，所以共享对称秘钥也是固定不变的。为了增强安全性，最好的方式是每次交互都生成一个临时的共享对称秘钥。那么如何才能在每次交互过程中生成一个随机的对称秘钥，且不需要传输呢？

那么如何生成随机的共享秘钥进行加密呢？

对于发送方A节点，在每次发送时，都生成一个临时非对称秘钥对，然后根据B节点的公钥 和 临时的非对称私钥 可以计算出一个对称秘钥(KA算法-Key Agreement)。然后利用该对称秘钥对数据进行加密，针对共享秘钥这里的流程如下：

对于B节点，当接收到传输过来的数据时，解析出其中A节点的随机公钥，之后利用A节点的随机公钥 与 B节点自身的私钥 计算出对称秘钥(KA算法)。之后利用对称秘钥机密数据。

对于以上加密方式，其实仍然存在很多问题，比如如何避免重放攻击(在消息中加入 Nonce )，再比如彩虹表(参考 KDF机制解决 )之类的问题。由于时间及能力有限，故暂时忽略。

那么究竟应该采用何种加密呢？

主要还是基于要传输的数据的安全等级来考量。不重要的数据其实做好认证和签名就可以，但是很重要的数据就需要采用安全等级比较高的加密方案了。

密码套件 是一个网络协议的概念。其中主要包括身份认证、加密、消息认证(MAC)、秘钥交换的算法组成。

在整个网络的传输过程中，根据密码套件主要分如下几大类算法：

秘钥交换算法：比如ECDHE、RSA。主要用于客户端和服务端握手时如何进行身份验证。

消息认证算法：比如SHA1、SHA2、SHA3。主要用于消息摘要。

批量加密算法：比如AES, 主要用于加密信息流。

伪随机数算法：例如TLS 1.2的伪随机函数使用MAC算法的散列函数来创建一个 主密钥 ——连接双方共享的一个48字节的私钥。主密钥在创建会话密钥（例如创建MAC）时作为一个熵来源。

在网络中，一次消息的传输一般需要在如下4个阶段分别进行加密，才能保证消息安全、可靠的传输。

握手/网络协商阶段：

在双方进行握手阶段，需要进行链接的协商。主要的加密算法包括RSA、DH、ECDH等

身份认证阶段：

身份认证阶段，需要确定发送的消息的来源来源。主要采用的加密方式包括RSA、DSA、ECDSA(ECC加密，DSA签名)等。

消息加密阶段：

消息加密指对发送的信息流进行加密。主要采用的加密方式包括DES、RC4、AES等。

消息身份认证阶段/防篡改阶段：

主要是保证消息在传输过程中确保没有被篡改过。主要的加密方式包括MD5、SHA1、SHA2、SHA3等。

ECC ：Elliptic Curves Cryptography，椭圆曲线密码编码学。是一种根据椭圆上点倍积生成 公钥、私钥的算法。用于生成公私秘钥。

ECDSA ：用于数字签名,是一种数字签名算法。一种有效的数字签名使接收者有理由相信消息是由已知的发送者创建的，从而发送者不能否认已经发送了消息(身份验证和不可否认)，并且消息在运输过程中没有改变。ECDSA签名算法是ECC与DSA的结合，整个签名过程与DSA类似，所不一样的是签名中采取的算法为ECC，最后签名出来的值也是分为r,s。 主要用于身份认证阶段 。

ECDH ：也是基于ECC算法的霍夫曼树秘钥，通过ECDH，双方可以在不共享任何秘密的前提下协商出一个共享秘密，并且是这种共享秘钥是为当前的通信暂时性的随机生成的，通信一旦中断秘钥就消失。 主要用于握手磋商阶段。

ECIES： 是一种集成加密方案,也可称为一种混合加密方案，它提供了对所选择的明文和选择的密码文本攻击的语义安全性。ECIES可以使用不同类型的函数：秘钥协商函数(KA)，秘钥推导函数(KDF)，对称加密方案(ENC)，哈希函数(HASH), H-MAC函数(MAC)。

ECC 是椭圆加密算法，主要讲述了按照公私钥怎么在椭圆上产生，并且不可逆。 ECDSA 则主要是采用ECC算法怎么来做签名， ECDH 则是采用ECC算法怎么生成对称秘钥。以上三者都是对ECC加密算法的应用。而现实场景中，我们往往会采用混合加密(对称加密，非对称加密结合使用，签名技术等一起使用)。 ECIES 就是底层利用ECC算法提供的一套集成(混合)加密方案。其中包括了非对称加密，对称加密和签名的功能。

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这个先订条件是为了保证曲线不包含奇点。

所以，随着曲线参数a和b的不断变化，曲线也呈现出了不同的形状。比如:

所有的非对称加密的基本原理基本都是基于一个公式 K = k G。其中K代表公钥，k代表私钥，G代表某一个选取的基点。非对称加密的算法 就是要保证 该公式 不可进行逆运算( 也就是说G/K是无法计算的 )。 *

ECC是如何计算出公私钥呢？这里我按照我自己的理解来描述。

我理解，ECC的核心思想就是：选择曲线上的一个基点G，之后随机在ECC曲线上取一个点k(作为私钥)，然后根据k G计算出我们的公钥K。并且保证公钥K也要在曲线上。*

那么k G怎么计算呢？如何计算k G才能保证最后的结果不可逆呢？这就是ECC算法要解决的。

首先，我们先随便选择一条ECC曲线，a = -3, b = 7 得到如下曲线：

在这个曲线上，我随机选取两个点，这两个点的乘法怎么算呢？我们可以简化下问题，乘法是都可以用加法表示的，比如2 2 = 2+2，3 5 = 5+5+5。 那么我们只要能在曲线上计算出加法，理论上就能算乘法。所以，只要能在这个曲线上进行加法计算，理论上就可以来计算乘法，理论上也就可以计算k*G这种表达式的值。

曲线上两点的加法又怎么算呢？这里ECC为了保证不可逆性，在曲线上自定义了加法体系。

现实中，1+1=2，2+2=4，但在ECC算法里，我们理解的这种加法体系是不可能。故需要自定义一套适用于该曲线的加法体系。

ECC定义，在图形中随机找一条直线，与ECC曲线相交于三个点(也有可能是两个点)，这三点分别是P、Q、R。

那么P+Q+R = 0。其中0 不是坐标轴上的0点，而是ECC中的无穷远点。也就是说定义了无穷远点为0点。

同样，我们就能得出 P+Q = -R。 由于R 与-R是关于X轴对称的，所以我们就能在曲线上找到其坐标。

P+R+Q = 0, 故P+R = -Q , 如上图。

以上就描述了ECC曲线的世界里是如何进行加法运算的。

从上图可看出，直线与曲线只有两个交点，也就是说 直线是曲线的切线。此时P,R 重合了。

也就是P = R, 根据上述ECC的加法体系，P+R+Q = 0, 就可以得出 P+R+Q = 2P+Q = 2R+Q=0

于是乎得到 2 P = -Q (是不是与我们非对称算法的公式 K = k G 越来越近了)。

于是我们得出一个结论，可以算乘法，不过只有在切点的时候才能算乘法，而且只能算2的乘法。

假若 2 可以变成任意个数进行想乘，那么就能代表在ECC曲线里可以进行乘法运算，那么ECC算法就能满足非对称加密算法的要求了。

那么我们是不是可以随机任何一个数的乘法都可以算呢？ 答案是肯定的。 也就是点倍积 计算方式。

选一个随机数 k, 那么k * P等于多少呢？

我们知道在计算机的世界里，所有的都是二进制的，ECC既然能算2的乘法，那么我们可以将随机数k描 述成二进制然后计算。假若k = 151 = 10010111

由于2 P = -Q 所以 这样就计算出了k P。 这就是点倍积算法 。所以在ECC的曲线体系下是可以来计算乘法，那么以为这非对称加密的方式是可行的。

至于为什么这样计算 是不可逆的。这需要大量的推演，我也不了解。但是我觉得可以这样理解：

我们的手表上，一般都有时间刻度。现在如果把1990年01月01日0点0分0秒作为起始点，如果告诉你至起始点为止时间流逝了 整1年，那么我们是可以计算出现在的时间的，也就是能在手表上将时分秒指针应该指向00：00：00。但是反过来，我说现在手表上的时分秒指针指向了00：00：00,你能告诉我至起始点算过了有几年了么？

ECDSA签名算法和其他DSA、RSA基本相似，都是采用私钥签名，公钥验证。只不过算法体系采用的是ECC的算法。交互的双方要采用同一套参数体系。签名原理如下：

在曲线上选取一个无穷远点为基点 G = (x,y)。随机在曲线上取一点k 作为私钥， K = k*G 计算出公钥。

签名过程：

生成随机数R, 计算出RG.

根据随机数R,消息M的HASH值H,以及私钥k, 计算出签名S = (H+kx)/R.

将消息M,RG,S发送给接收方。

签名验证过程：

接收到消息M, RG,S

根据消息计算出HASH值H

根据发送方的公钥K,计算 HG/S + xK/S, 将计算的结果与 RG比较。如果相等则验证成功。

公式推论：

HG/S + xK/S = HG/S + x(kG)/S = (H+xk)/GS = RG

在介绍原理前，说明一下ECC是满足结合律和交换律的，也就是说A+B+C = A+C+B = (A+C)+B。

这里举一个WIKI上的例子说明如何生成共享秘钥，也可以参考 Alice And Bob 的例子。

Alice 与Bob 要进行通信，双方前提都是基于 同一参数体系的ECC生成的 公钥和私钥。所以有ECC有共同的基点G。

生成秘钥阶段：

Alice 采用公钥算法 KA = ka * G ，生成了公钥KA和私钥ka, 并公开公钥KA。

Bob 采用公钥算法 KB = kb * G ，生成了公钥KB和私钥 kb, 并公开公钥KB。

计算ECDH阶段：

Alice 利用计算公式 Q = ka * KB 计算出一个秘钥Q。

Bob 利用计算公式 Q' = kb * KA 计算出一个秘钥Q'。

共享秘钥验证：

Q = ka KB = ka * kb * G = ka * G * kb = KA * kb = kb * KA = Q'

故 双方分别计算出的共享秘钥不需要进行公开就可采用Q进行加密。我们将Q称为共享秘钥。

在以太坊中，采用的ECIEC的加密套件中的其他内容：

1、其中HASH算法采用的是最安全的SHA3算法 Keccak 。

2、签名算法采用的是 ECDSA

3、认证方式采用的是 H-MAC

4、ECC的参数体系采用了secp256k1, 其他参数体系 参考这里

H-MAC 全程叫做 Hash-based Message Authentication Code. 其模型如下：

在 以太坊 的 UDP通信时(RPC通信加密方式不同)，则采用了以上的实现方式，并扩展化了。

首先，以太坊的UDP通信的结构如下：

其中，sig是 经过 私钥加密的签名信息。mac是可以理解为整个消息的摘要， ptype是消息的事件类型，data则是经过RLP编码后的传输数据。

其UDP的整个的加密，认证，签名模型如下：

F. 区块链论文精读——Pixel: Multi-signatures for Consensus

论文主要提出了一种针对共识机制PoS的多重签名算法Pixel。

所有基于PoS的区块链以及允许的区块链均具有通用结构，其中节点运行共识子协议，以就要添加到分类账的下一个区块达成共识。这样的共识协议通常要求节点检查阻止提议并通过对可接受提议进行数字签名来表达其同意。当一个节点从特定块上的其他节点看到足够多的签名时，会将其附加到其分类帐视图中。

由于共识协议通常涉及成千上万的节点，为了达成共识而共同努力，因此签名方案的效率至关重要。此外，为了使局外人能够有效地验证链的有效性，签名应紧凑以进行传输，并应快速进行验证。已发现多重签名对于此任务特别有用，因为它们使许多签名者可以在公共消息上创建紧凑而有效的可验证签名。

补充知识： 多重签名
是一种数字签名。在数字签名应用中，有时需要多个用户对同一个文件进行签名和认证。比如，一个公司发布的声明中涉及财务部、开发部、销售部、售后服务部等部门，需要得到这些部门签名认可，那么，就需要这些部门对这个声明文件进行签名。能够实现多个用户对同一文件进行签名的数字签名方案称作多重数字签名方案。
多重签名是数字签名的升级，它让区块链相关技术应用到各行各业成为可能。 在实际的操作过程中，一个多重签名地址可以关联n个私钥，在需要转账等操作时，只要其中的m个私钥签名就可以把资金转移了，其中m要小于等于n，也就是说m/n小于1，可以是2/3, 3/5等等，是要在建立这个多重签名地址的时候确定好的。

本文提出了Pixel签名方案，这是一种基于配对的前向安全多签名方案，可用于基于PoS的区块链，可大幅节省带宽和存储要求。为了支持总共T个时间段和一个大小为N的委员会，多重签名仅包含两个组元素，并且验证仅需要三对配对，一个乘幂和N -1个乘法。像素签名几乎与BLS多重签名一样有效，而且还满足前向安全性。此外，就像在BLS多签名中一样，任何人都可以非交互地将单个签名聚合到一个多签名中。

有益效果：
为了验证Pixel的设计，将Pixel的Rust实施的性能与以前的基于树的前向安全解决方案进行了比较。展示了如何将Pixel集成到任何PoS区块链中。接下来，在Algorand区块链上评估Pixel，表明它在存储，带宽和块验证时间方面产生了显着的节省。我们的实验结果表明，Pixel作为独立的原语并在区块链中使用是有效的。例如，与一组128位安全级别的N = 1500个基于树的前向安全签名（对于T = 232）相比，可以认证整个集合的单个Pixel签名要小2667倍，并且可以被验证快40倍。像素签名将1500次事务的Algorand块的大小减少了约35％，并将块验证时间减少了约38％。

对比传统BLS多重签名方案最大的区别是BLS并不具备前向安全性。

对比基于树的前向安全签名，基于树的前向安全签名可满足安全性，但是其构造的签名太大，验证速度有待提升。 本文设计减小了签名大小、降低了验证时间。

补充知识： 前向安全性
是密码学中通讯协议的安全属性，指的是长期使用的主密钥泄漏不会导致过去的会话密钥泄漏。前向安全能够保护过去进行的通讯不受密码或密钥在未来暴露的威胁。如果系统具有前向安全性，就可以保证在主密钥泄露时历史通讯的安全，即使系统遭到主动攻击也是如此。

构建基于分层身份的加密（HIBE）的前向安全签名，并增加了在同一消息上安全地聚合签名以及生成没有可信集的公共参数的能力。以实现：
1、生成与更新密钥
2、防止恶意密钥攻击的安全性
3、无效的信任设置

对于常见的后攻击有两种变体：
1、短程变体：对手试图在共识协议达成之前破坏委员会成员。解决：通过假设攻击延迟长于共识子协议的运行时间来应对短距离攻击。
2、远程变体：通过分叉选择规则解决。
前向安全签名为这两种攻击提供了一种干净的解决方案，而无需分叉选择规则或有关对手和客户的其他假设。（说明前向安全签名的优势）。

应用于许可的区块链共识协议（例如PBFT）也是许多许可链（例如Hyperledger）的核心，在这些区块链中，只有经过批准的方可以加入网络。我们的签名方案可以类似地应用于此设置， 以实现前向保密性，减少通信带宽并生成紧凑的块证书。

传统Bellare-Miner 模型，消息空间M的前向安全签名方案FS由以下算法组成：
1、Setup
pp ←Setup(T), pp为各方都同意的公共参数，Setup(T)表示在T时间段内对于固定参数的分布设置。

2、Key generation
(pk,sk1) ←Kg
签名者在输入的最大时间段T上运行密钥生成算法，以为第一时间段生成公共验证密钥pk和初始秘密签名密钥sk1。

3、Key update
skt+1←Upd(skt) 签名者使用密钥更新算法将时间段t的秘密密钥skt更新为下一个周期的skt + 1。该方案还可以为任何t0> t提供 “快速转发”更新算法 skt0←$ Upd0（skt，t0），该算法比重复应用Upd更有效。

4、Signing
σ ←Sign(skt,M),在输入当前签名密钥skt消息m∈M时，签名者使用此算法来计算签名σ。

5、Verification
b ← Vf(pk,t,M,σ)任何人都可以通过运行验证算法来验证消息M在公共密钥pk下的时间段t内的签名M的签名，该算法返回1表示签名有效，否则返回0。

1、依靠非对称双线性组来提高效率，我们的签名位于G2×G1中而不是G2 ^2中。这样，就足以给出公共参数到G1中（然后我们可以使用散列曲线实例化而无需信任设置），而不必生成“一致的”公共参数（hi，h0 i）=（gxi 1，gxi 2）∈G1× G2。

2、密钥生成算法，公钥pk更小，参数设置提升安全性。

除了第3节中的前向安全签名方案的算法外，密钥验证模型中的前向安全多重签名方案FMS还具有密钥生成，该密钥生成另外输出了公钥的证明π。
新增Key aggregation密钥汇总、Signature aggregation签名汇总、Aggregate verification汇总验证。满足前向安全的多重签名功能的前提下也证明了其正确性和安全性。

1、PoS在后继损坏中得到保护
后继损坏：后验证的节点对之前的共识验证状态进行攻击破坏。
在许多用户在同一条消息上传播许多签名（例如交易块）的情况下，可以将Pixel应用于所有这些区块链中，以防止遭受后继攻击并潜在地减少带宽，存储和计算成本。

2、Pixel整合
为了对区块B进行投票，子协议的每个成员使用具有当前区块编号的Pixel签署B。当我们看到N个委员会成员在同一块B上签名的集合时，就达成了共识，其中N是某个固定阈值。最后，我们将这N个签名聚合为单个多重签名Σ，而对（B，Σ）构成所谓的 区块证书 ，并将区块B附加到区块链上。

3、注册公共密钥
希望参与共识的每个用户都需要注册一个参与签名密钥。用户首先采样Pixel密钥对并生成相应的PoP。然后，用户发出特殊交易（在她的消费密钥下签名）， 注册新的参与密钥 。交易包括PoP。选择在第r轮达成协议的PoS验证者，检查（a）特殊交易的有效性和（b）PoP的有效性。如果两项检查均通过，则 使用新的参与密钥更新用户的帐户 。从这一点来看，如果选中，则用户将使用Pixel登录块。
即不断更换自己的参与密钥，实现前向安全性。

4、传播和聚集签名
各个委员会的签名将通过网络传播，直到在同一块B上看到N个委员会成员的签名为止。请注意，Pixel支持非交互式和增量聚合：前者意味着签名可以在广播后由任何一方聚合，而无需与原始签名者，而后者意味着我们可以将新签名添加到多重签名中以获得新的多重签名。实际上，这意味着传播的节点可以对任意数量的委员会签名执行中间聚合并传播结果，直到形成块证书为止。或者，节点可以在将块写入磁盘之前聚合所有签名。也就是说，在收到足够的区块证明票后，节点可以将N个委员会成员的签名聚集到一个多重签名中，然后将区块和证书写入磁盘。

5、密钥更新
在区块链中使用Pixel时，时间对应于共识协议中的区块编号或子步骤。将时间与区块编号相关联时，意味着所有符合条件的委员会成员都应在每次形成新区块并更新轮回编号时更新其Pixel密钥。

在Algorand 项目上进行实验评估，与Algorand项目自带的防止后腐败攻击的解决方案BM-Ed25519以及BLS多签名解决方案做对比。

存储空间上：

节省带宽：
Algorand使用基于中继的传播模型，其中用户的节点连接到中继网络（具有更多资源的节点）。如果在传播过程中没有聚合，则中继和常规节点的带宽像素节省来自较小的签名大小。每个中继可以服务数十个或数百个节点，这取决于它提供的资源。

节省验证时间

G. 什么是数字签名算法

数字签名的算法是根据某种计算方式，结合文件或者其他元素，算出一个固定的数值，这个数值可以确保文件并没有被篡改 。

H. 数字签名的原理

数字签名的文件的完整性是很容易验证的（不需要骑缝章，骑缝签名，也不需要笔迹专家），而且数字签名具有不可抵赖性（不需要笔迹专家来验证）。
简单地说,所谓数字签名就是附加在数据单元上的一些数据,或是对数据单元所作的密码变换。这种数据或变换允许数据单元的接收者用以确认数据单元的来源和数据单元的完整性并保护数据,防止被人(例如接收者)进行伪造。它是对电子形式的消息进行签名的一种方法,一个签名消息能在一个通信网络中传输。基于公钥密码体制和私钥密码体制都可以获得数字签名,主要是基于公钥密码体制的数字签名。包括普通数字签名和特殊数字签名。普通数字签名算法有RSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou- Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir数字签名算法、Des/DSA,椭圆曲线数字签名算法和有限自动机数字签名算法等。特殊数字签名有盲签名、代理签名、群签名、不可否认签名、公平盲签名、门限签名、具有消息恢复功能的签名等,它与具体应用环境密切相关。显然,数字签名的应用涉及到法律问题,美国联邦政府基于有限域上的离散对数问题制定了自己的数字签名标准(DSS)。