数字化契约如何守护？密码学数字签名共性解析

作者：严强 / 微众银行区块链安全科学家

来源：微众银行区块链微信公众号

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数字签名有哪些形式？相比其他签名形式，密码学数字签名优势几何？具备哪些独有功能？使用过程中又潜藏何等风险？

签名生效的契约是保障商业活动有序进行的核心手段之一。通过承诺的形式对预期在未来发生的商业行为进行约定，约定双方将履行约定看作是一种义务，任意一方违背承诺，都可以通过法律手段进行追诉，以此保障约定的行为最终得到履行。

除开商业活动，契约保障对于涉及多方之间价值交换的其他活动同样至关重要。承载价值的各类权益，在实际交换过程中，一般都有先后顺序，需要通过契约来保证相关的交换流程都能如期完成，防止先得到权益的一方恶意中断流程，致使其他参与方未能得到约定权益，造成不必要的损失。

在上述过程中， 签名机制 是确保 契约 合法性 和 有效性 的关键。

在信息化时代，如何借助技术手段实现有效的签名机制，那就不得不提以密码学数字签名为代表的数字签名技术。本文作为数字签名系列的开篇，对密码学数字签名中的共性特征进行逐一解析。

1. 密码学数字签名的优势

本质上，签名机制是对“谁认同了什么”的一个约束，这一约束将 签名主体 和 契约内容 通过 签名 关联了起来，并同时满足以下基本特性：

• 防仿冒 ：如果不是签名主体，无法仿冒签名主体进行签名。
• 防篡改 ：如果契约内容被篡改，原有的签名便会失效。
• 可验证 ：签名的有效性可以通过技术手段进行验证。

人类历史发展的不同阶段，曾经为不同契约载体引入过不同的签名机制。在信息化时代到来之前，契约主要记载在物理介质上，如羊皮、纸、竹简等。除了手写签名之外，最常见的签名机制就是印章。

《史记》中就有“青泥封书”的记载。早在战国时期，古人将竹简捆扎之后，使用黏土封住绳结，并盖上印章，防止私拆和篡改，史称竹简封。基于类似技术，后续还出现了木牍封、棉纸封、火漆封等。尤其是使用红色封蜡的火漆封，在中西文明中有过辉煌的历史，被用于机要信件的身份鉴别和防篡改，并由此派生出各式各样的印章文化。

直至今日，印章依旧在契约制定中起着关键作用。在各类合同中，对纸质文件加盖印章（简称 用印 ）是合同生效的必要条件。用印是一个十分严肃的过程，往往需要对于合同中每一处关键信息，都盖上印章确保其不被篡改。对于多页合同，往往还需要加盖骑缝章，保证合同内容的连续性。

即便如此，哪怕花费了大量人工，在纸面上盖满了印章，也很难保证所有信息都能受到印章保护。因此，以印章为代表的传统签名机制在处理包含大量信息的契约时，面临显著的 效率 和 有效性 问题。

这些问题恰恰也是数字签名设计中需要攻克的要点。

如果简单地将传统签名进行数字化处理，使用其数字化影像来直接用作数字签名，能不能解决以上问题呢？

显然答案是否定的。尤其对于防仿冒和防篡改，任何人一旦获得到一份签名的数字化影像，都可以无限复制并应用到任意契约内容上，这可能会为签名主体带来难以估量的损失。

为了防止攻击者轻易生成伪造的数字签名，签名的生成过程需要引入只有签名主体才知道的 秘密参数 ，由此便可构造 密码学数字签名 ，对应的秘密参数就是密码学签名算法中的密钥。

一般而言，密码学数字签名在满足以上基本特性之外，可以选择性地引入更丰富的特性，例如：

• 防抵赖 ：除了签名主体，其他人无法生成有效的签名，所以签名主体无法抵赖，对应的签名可以具备法律效力。
• 公开可验证 ：签名主体无需公开自己用于签名的私钥，第三方通过对应的公钥即可完成签名有效性的验证。

这些特性可以用来支持数字化经济中各式各样的数字化契约，对于需要进行多方协商的约定，在现行的法律框架下，一般都可以采用对应的密码学数字签名进行有效地保障。

2. 密码学数字签名分类

在现实业务中，对于契约可以有很多形式，因此也对数字签名产生了非常多样化的功能需求。

限于篇幅，这里仅对主要的密码学数字签名算法类别进行列举，具体技术细节将在本系列的后续文章中展开。

对于传统签名机制难以实现的效果，如隐匿签名主体身份、隐匿契约内容、快速验证海量签名，密码学数字签名都可以在 保持签名机制防仿冒、防篡改、可验证基本特性的前提下 ，提供有效的技术方案，也可以进一步扩展，支持其他非常规效果，如提供定向签名验证的变色龙签名等。

由此可见，相比传统签名机制，密码学数字签名可以满足更加丰富的业务需求。

3. 密码学数字签名认证体系

尽管具体密码学数字签名算法各有差异，构建一个有效的密码学签名认证体系一般都会用到一系列共性技术。以基于公钥密码学算法的数字签名为例，常见的共性技术如下：

• 数据摘要算法 ：将任意长度的数据缩减成签名算法能够处理的数据长度，生成与原数据内容强绑定的数据摘要，常用的有各类单向哈希算法（参见 第9论 ），如国密SM3，SHA-3等。
• 签名算法 ：使用签名主体的私钥，对数据摘要进行运算，生成数字签名，并提供基于公钥的数字签名验证，常用的有国密SM2、ECDSA、RSA签名等。
• PKI（Public Key Infrastructure）公钥证书服务 ：提供安全的公钥分发服务，确保用于验证签名的公钥确实属于签名主体，常用的有X.509公钥证书服务。

对照传统签名技术，数据摘要算法相当于捆扎文件的封条，签名算法相当于封条上盖的代表身份的印章，PKI公钥证书服务相当于识别印章有效性的官方图鉴，这三类技术缺一不可。

值得注意的是，尽管破解密码学数字签名比攻击传统签名（如私刻萝卜章）的技术难度会高很多，但随着软硬件技术的发展，还是有可能对现有技术进行成功攻击的，为此有必要充分了解相关安全风险。

如果数据摘要算法出现安全问题

攻击者就可以在保持原有签名不变的前提下，任意替换契约内容。2017年，Google演示了首例对SHA-1单向哈希算法碰撞攻击SHAttered，以单GPU运算110年的代价（任何大型云平台服务商都具备的计算能力）为精心篡改过的PDF文件生成了与原文件完全一样的SHA-1哈希值。因此，使用过时或已知不安全的数据摘要算法会极大影响数字签名的 防篡改性 。

如果签名算法出现安全问题

攻击者可以结合数字签名和原文件提取出签名所用的私钥，并使用该私钥仿冒签名主体，对未授权的契约进行签名。例如，目前基于椭圆曲线的签名算法设计都不具备抗量子特性，一旦量子计算实用化，就会对现有数字签名的 防仿冒性 产生巨大冲击。

如果PKI公钥证书服务出现安全问题

攻击者可以使用恶意软件、木马、病毒等非密码学攻击手段侵入PKI公钥证书服务，使用自己的公钥证书，来替换签名主体的公钥证书，随后便可任意使用自己的私钥对未授权的契约进行签名。

另一类相关攻击是攻击者通过某些手段窃取了签名主体的私钥，签名主体已经完成了公钥证书的挂失，但PKI公钥证书服务未能对公钥证书的黑名单进行及时更新。在这些攻击的影响下，第三方可能无法通过PKI公钥证书服务来有效辨识签名所用的公钥是否真正属于签名主体，所以会对最终签名结果的 可验证性 造成显著影响。

尽管风险点不少，但作为全行业普遍使用且广泛认可的一类密码学技术，密码学数字签名还是一个非常有效的契约认证体系。 企业务必需要遵循各类国家和行业相关技术规范，使用行业内标准化的技术实现，对数字签名系统进行及时更新和升级，最小化相关技术风险。

正是：数字契约一诺值千金，密码技术一签抵九鼎！

密码学数字签名作为现代商业中保障契约有效性的核心技术，对于完成经济数字化转型、业务在线化、产业数字化升级都至关重要。基于不同的业务需求，密码学数字签名可以提供不同的技术方案，满足传统签名机制难以满足的特性，在保障契约效力的前提下，支持更加多样化的业务创新。

在密码学数字签名诸多高级特性中，最常提及的便是隐匿签名主体的身份，技术上究竟如何实现，欲知详情，敬请关注下文分解。