数字签名的流程：区块链与交易签名详解

数字签名的流程

截至 2025-12-31，据 PANews 报道，加密资产在主流金融与机构层面的关注度显著上升，区块链交易安全与私钥管理成为基础设施被广泛讨论的话题。在这种背景下，理解“数字签名的流程”对用户、开发者和合规团队都至关重要。

在本文中，我们将全面讲解“数字签名的流程”，包括基本原理、通用签名与验签步骤、区块链中交易签名的实践、常见算法对比、实现细节与安全最佳实践、常见攻击类型与合规要点，并以比特币与以太坊为例给出签名示例与参考实现建议。无论您是初学者想了解交易如何被授权，还是工程师需要实现安全签名流程，本文都提供可操作的指导与要点总结。

基本概念与原理

在进入具体“数字签名的流程”之前，先明确使用的核心概念与安全目标。

公钥密码学（非对称加密）

数字签名的核心依赖公钥密码学：每个账户/主体拥有一对密钥——私钥（secret key）与公钥（public key）。私钥用于签署消息，公钥用于验证签名。私钥必须严格保密；公钥可公开分发。数学上，常见的椭圆曲线或整数分解问题保证了私钥从公钥难以计算。

数字签名的流程正是基于这种“私钥签名、公钥验证”的关系来证明消息由持有私钥的主体发出。

哈希函数与摘要

大多数签名方案并不直接对原始消息进行签名，而是先对消息计算哈希（摘要），如 SHA-256、SHA3。哈希有两个关键作用：

• 把任意长度消息映射为固定长度摘要，提升签名效率；
• 提供完整性检查：任何微小更改都会导致摘要大幅变化，从而使签名失效。

在区块链中，交易先被序列化后哈希，再对哈希值进行签名，这就是典型的“数字签名的流程”。

数字签名的安全性目标

数字签名的流程旨在满足以下安全属性：

• 鉴别身份（Authentication）：证明签名者身份；
• 完整性（Integrity）：保证消息未被篡改；
• 不可否认性（Non-repudiation）：签名者无法否认其签名行为（在法律/审计允许范围内）；
• 抗重放/抗篡改（Replay/Manipulation protection）：通过 nonce、链ID、时间戳或事务序号防止相同签名被重复使用或在不同上下文被误用。

理解这些目标有助于在设计签名流程时选择合适的消息格式、哈希与签名策略，从而降低安全与合规风险。

通用签名流程（签名与验签）

下面按签名者与验签者两个视角，分步说明“数字签名的流程”。

签名方的步骤（生成签名）

1. 准备消息：构造待签名数据（例如区块链交易的字段、转账金额、接收者地址、nonce 等）。
2. 格式化/前缀化：为避免链外消息被当作链上交易签署，通常会添加明确前缀或域分隔符（message prefix、domain separator）。
3. 序列化：把结构化数据序列化为字节串（例如按协议定义的 RLP、protobuf、JSON canonicalization 等）。
4. 哈希：对序列化后的字节串计算摘要（常见为 SHA-256、Keccak-256 等）。
5. 生成随机值（若算法需要）：如 ECDSA 需要 k（nonce）值，必须使用强随机源或确定性生成（RFC 6979）以避免私钥泄露风险。
6. 用私钥对摘要签名：调用签名算法（例如 ECDSA、EdDSA）得到签名数据（r, s, v 等或单一字节串）。
7. 签名打包：把签名附入原始交易结构（例如在交易字段中写入签名），或输出为独立证据（如 CMS/PKCS#7、JWS）。
8. 记录/广播：在链上场景，将已签名的交易广播至节点或提交给交易所/清算方。

注意事项：私钥永远不应暴露给不受信任环境；利用硬件钱包、HSM 或多方计算可降低风险。

验签方的步骤（验证签名）

1. 接收签名数据与原始消息或其序列化形式。若接收方只获取交易哈希，则需能重建相同的消息哈希（相同的序列化与前缀）。
2. 依据协议解析签名字段（例如提取 r, s, v 或 compact signature）。
3. 用签名者的公钥（或从签名/恢复ID恢复出公钥）对签名进行验证，算法将检验签名是否匹配消息摘要。若成功，则消息被视为由该私钥持有者签署且未被修改。
4. 做额外检查：签名时间戳、nonce 是否有效、链ID 是否匹配（防止重放）等。

验签的正确性依赖于双方使用一致的消息格式与哈希算法，以及公钥真实性的可靠验证。

数字证书与公钥分发（PKI）

在企业或合规场景，单纯的公钥并不足以建立信任。需要通过证书与公钥基础设施（PKI）来绑定公钥与主体身份：证书由受信任的证书颁发机构（CA）签发，包含公钥、主体信息与有效期。验签方在验证签名同时会验证证书链、吊销状态（CRL/OCSP）与有效期。

在区块链场景，公钥通常以链上地址形式传播，信任建立依赖链上账户控制权与链内历史，而企业间跨链或链下签名验证仍可借助 PKI 做审计与合规记录。

常见签名算法与区别

选择合适算法将直接影响“数字签名的流程”的效率、安全性与实现难度。

RSA 与基于整数分解的签名

RSA 基于大整数因式分解难题，早期广泛用于数字签名（如 PKCS#1 v1.5、PSS）。优点是概念成熟、实现广泛；缺点是密钥与签名体积较大、在高性能区块链场景下不够高效，因此通常不用于主流公链的交易签名。

DSA / ECDSA（椭圆曲线签名）与区块链的主流选择

DSA 与其椭圆曲线变种 ECDSA 基于离散对数问题（椭圆曲线上的）。ECDSA（如 secp256k1）以其签名短、计算效率高而成为比特币、早期以太坊等许多公链的首选。

优点：签名短、验证高效、实现库成熟。 缺点：对随机数 k 的依赖较强，若随机数生成不安全可导致私钥泄露；签名不可线性聚合（原始 ECDSA），限制了某些扩展（但可通过 Schnorr 等方案改进）。

EdDSA（Ed25519 等）与现代替代方案

EdDSA（例如 Ed25519）采用确定性签名生成、易于实现且对侧信道攻击有更好抗性。签名速度快、验证高效，且实现上更安全（RFC 8032）。越来越多新链与钱包采用 Ed25519 作为默认算法，尤其在轻客户端与移动端场景表现优秀。

Schnorr 签名、阈签名与签名聚合

Schnorr 签名具有线性性质，支持签名聚合（多重签名可被合并为单一签名），从而在扩容与隐私方面带来优势。阈签名与多方签名（MPC）允许多方共同生成签名而无需暴露完整私钥，适用于机构级钱包与高安全场景。

这些新技术正在逐步改变“数字签名的流程”，使多签更高效、减少链上数据并提升隐私。

区块链与加密货币中的签名流程（实践层面）

下面把“数字签名的流程”具象化为链上交易签名的端到端步骤，并讨论钱包与多签等实践要点。

交易签名的整体流程（以通用公链为例）

1. 构造交易：客户端/钱包准备交易字段（发送地址、接收地址、金额、手续费、nonce/sequence、链ID 等）。
2. 序列化交易：依照链上协议（如 Bitcoin 的原生序列化、Ethereum 的 RLP）进行规范序列化。
3. 计算交易哈希：对序列化后的字节串哈希（如双 SHA-256、Keccak-256）。
4. 私钥签名：在本地或受信任设备上对交易哈希进行签名，生成签名字段（r, s, v 或 sig bytes）。
5. 打包签名：把签名字段插回交易结构中（或将签名作为 witness 一部分），形成完整可广播的原始交易数据。
6. 广播与验证：将签名交易广播到 P2P 网络，节点接收后对签名进行验证，验证通过则将交易纳入内存池并最终打包进区块。

这就是典型的“数字签名的流程”在区块链转账场景的完整展示。

钱包（软件/硬件）在签名流程中的角色

钱包负责私钥管理与签名执行：

• 热钱包：便捷但私钥与签名环境常在线，适合小额或高频交易；
• 冷钱包/硬件钱包：私钥离线存储并在签名时进行离线操作，适合大额或长期存储；
• Bitget Wallet：作为推荐的 Web3 钱包，支持安全的私钥管理、多链签名与与交易所生态联动（如内部签名流程、链上广播与交易记录导出），适合用户在保留易用性的同时提升安全性。

离线签名（cold signing）流程常见于机构或硬件钱包场景：构造交易 -> 导出序列化消息到离线设备 -> 在离线设备上签名 -> 导回并广播已签名交易。

PSBT（Partially Signed Bitcoin Transaction）等协议支持分步骤、多方签名场景，有利于多签与审计流程。

多签（Multisig）与合约签名（智能合约相关签名验证）

多签钱包可以是：

• 原生多签（链上脚本/地址控制，如 Bitcoin 的多重签名脚本）；
• 智能合约钱包（如基于合约的账户控制签名策略）。

多签实现可以为 sequential（逐一签名并聚合）或聚合签名（Schnorr 等可聚合签名使多个签名合并为单一签名），后者在链上更节省空间。智能合约通常通过 ecrecover（EVM 环境）或内置验证逻辑来验证签名是否满足预定阈值与条件。

交易编码、签名格式与链上验证（例如 DER、r/s/v、EIP-155）

不同链与实现约定不同签名编码：

• DER（ASN.1）编码：常见于 Bitcoin ECDSA 签名；
• compact signature：固定长度的二进制签名；
• Ethereum 的 r, s, v：r, s 为签名分量，v 为恢复ID与链ID混合值，用于从签名恢复公钥并防止重放攻击（EIP-155 引入链ID到 v 的计算中以提供重放保护）。

链上验证逻辑需与签名格式一致，并核验链ID/nonce 等防重放字段。

签名实现细节与安全实践

签名安全不仅依赖算法，还依赖实现细节与运维实践。以下为关键注意事项。

随机数/非重复性（k 值）与签名安全

对 ECDSA 类算法而言，k（随机数或 nonce）必须不可预测且唯一。若 k 重用或被预测，会导致私钥泄露（历史上多起因随机数生成不当导致私钥被恢复的事故）。建议：

• 使用确定性签名（RFC 6979）或高质量 CSPRNG；
• 在硬件中实现随机源或使用 HSM；
• 对实现进行侧信道与熵来源审计。

私钥存储与密钥管理最佳实践

• 冷存储：把私钥保存在离线设备/硬件钱包中；
• HSM：在硬件安全模块中生成与保管私钥，并通过受控 API 执行签名；
• 多方计算（MPC）或阈签：避免单点私钥持有，使私钥分布在多个参与方中，即便部分被攻破也难以完整恢复；
• 操作隔离：生产/签名环境与日常办公环境分离，建立签名审计流程与权限审批。

防范签名伪造与篡改（消息格式化、域分隔符）

为防止签名被用于不同上下文（如链外消息被误当作链上交易签名），必须明确消息的域（domain separator）或添加特定前缀（例如 Bitcoin message prefix）。此外，设计清晰的消息结构与签名范围（哪些字段被纳入哈希）有助于减少误签风险。

签名可拓展性与性能优化

在高吞吐量场景，可采用签名聚合、批量验签（batch verification）与轻节点优化（仅读取必要字段并使用 merkle proof 验证）来提升性能与降低链上成本。

常见攻击类型与缓解措施

了解攻击向量可以更好地设计“数字签名的流程”。

私钥泄露与钓鱼/社会工程

风险路径包括：恶意钓鱼网站、恶意或植入式脚本、供应链组件被攻破、未加密备份等。缓解措施：冷存储、二次确认、多重审批、白名单地址与交易限额、持续安全意识培训。

重放/链间攻击与重放保护

在链分叉或多链生态中，签名可能被用于另一链的交易（重放）。常见防护：在签名中嵌入链ID、使用不同的交易格式或 nonce、采用 EIP-155 风格的链ID 抵御重放攻击。

签名可塑性（malleability）与其对交易确认的影响

签名可塑性指攻击者修改签名的编码但仍能通过验证的现象。比特币历史上因签名可塑性导致交易ID（txid）可变，引发双花与确认问题。解决方案包括 SegWit（将见证数据隔离）与规范化 s 值等措施。

侧信道与随机数预测的风险

实现层面的侧信道（时间、功耗、电磁泄露）或伪随机数生成器缺陷都可能推动私钥泄露。应在硬件/软件实现中采取抗侧信道设计、硬件随机源与熵池增强、以及实施代码审计与渗透测试。

法律、合规与审计要点（金融/美股相关场景）

在机构与券商场景，签名流程不仅要安全，还要满足法律与合规要求。

电子签名法与不可否认性（法律效力）

不同司法区对电子签名的认定不同。通常，数字签名配合证书体系、时间戳与审计日志能满足不可否认性要求。在金融交易与美股清算对接场景，应在合规框架内设计签名流程并保留可验证的签名链路与证据链。

审计日志、时间戳与可证明性

保存签名请求、签名响应、时间戳（TSA）与审计日志对于事后核查与监管合规至关重要。区块链天然提供不可篡改账本，但链下签名活动与密钥管理操作也必须被可靠记录与审计。

监管合规（KYC/AML 与密钥管理义务）

交易平台与券商在密钥管理上有更高的合规义务：分离职责、定期审计、备份与恢复策略、事故响应预案等。机构应建立密钥生命周期管理制度，并向监管机构备档相关流程证明。

示例与参考实现

为了把“数字签名的流程”更加具体化，这里给出比特币与以太坊的签名要点与常用库建议。

比特币交易签名示例（流程要点）

• 序列化原理：比特币使用特定的字节序列规则（包括输入/输出、脚本）进行序列化；
• 签名位置：签名通常出现在 scriptSig（或 witness）中；
• SIGHASH 类型：决定签名覆盖的交易范围（ALL、NONE、SINGLE、带 ANYONECANPAY 标志等）；
• 签名编码：ECDSA 签名常使用 DER 编码并附加一个 sighash 字节；
• PSBT：便于离线多方签名的标准化格式。

以太坊签名与交易签名示例（r, s, v 与 EIP-155）

• 以太坊交易先 RLP 序列化后进行 Keccak-256 哈希；
• 签名结果有 r, s 两个分量与 v（恢复ID），EIP-155 将链ID嵌入 v 以提供重放保护；
• 链上验签常通过 ecrecover（在智能合约中）恢复公钥并对比消息签名者地址。

常用库与工具（OpenSSL、libsodium、secp256k1、web3、ethers、Bitget SDK）

工程实践中推荐使用经社区验证的成熟库：

• secp256k1：高性能椭圆曲线库，适用于比特币/ECDSA 场景；
• libsodium / OpenSSL：提供通用加密原语；
• web3 / ethers：以太坊生态常用 SDK，处理序列化、签名与广播；
• Bitget 提供的相关 SDK 与 Bitget Wallet：便于将签名流程与交易所/生态对接，同时支持安全的密钥管理与签名操作（优先推荐用于与 Bitget 服务集成的场景）。

（注：在集成任何第三方库时，请进行代码审计与依赖安全审查。）

标准、规范与扩展阅读

了解行业标准有助于深入实现与兼容性考虑。

RFC 与标准（例如 RFC 8032、FIPS、X.509）

• RFC 8032：EdDSA（Ed25519）的规范；
• FIPS：美国联邦信息处理标准，涵盖加密算法的合规实现；
• X.509：数字证书的标准格式与解析规则。

区块链相关 EIP/BIP 与提案（如 BIP-62、EIP-155、Schnorr/BIP-340）

关键提案影响签名流程与链上验证策略，例如：

• EIP-155：链ID 防止重放攻击；
• BIP-340：比特币 Schnorr 签名规范，支持签名聚合；
• BIP-62 等：处理签名可塑性与交易格式标准化问题。

小结与未来发展方向

数字签名是区块链与数字货币交易的核心安全基石。本文全面描述了“数字签名的流程”——从公钥体系、哈希摘要、签名/验签步骤，到链上交易签名、钱包与多签实践、实现细节与合规要求。随着技术演进，阈签（MPC）、Schnorr 聚合签名与后量子签名等趋势将继续影响签名流程的设计：

• 阈签与 MPC：提升机构级安全，降低单点私钥风险；
• 聚合签名：减小链上数据、提升吞吐量；
• 后量子签名：为长期安全与合规场景提前布局。

若您负责交易系统或钱包开发，建议优先采用成熟库、使用硬件或 MPC 方案保管私钥，并在签名流程中加入链ID、时间戳与审计日志以满足安全与合规要求。

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附录：术语表（简要）

• 私钥（Private Key）：用于签名的秘密数值；
• 公钥（Public Key）：对应私钥的公开数值，用于验证签名；
• 哈希（Hash）：对消息进行缩减的不可逆函数，如 SHA-256；
• 签名（Signature）：私钥对消息摘要生成的证明；
• 验签（Verify）：使用公钥检查签名是否有效；
• nonce：防重放或事务顺序的数字；
• DER：签名常见编码格式；
• r, s, v：以太坊签名分量与恢复ID；
• PSBT：部分签名比特币交易格式。

报道与数据来源说明

• 截至 2025-12-31，据 PANews 报道，2025 年加密资产与区块链技术的主流化进程显著，交易安全与密钥管理被行业与监管广泛关注（来源：PANews, Nancy，2025 年年终报道）。

（本文基于公开规范文档、行业技术文章与协议提案综合整理，旨在提供中立的技术与实务指导，不构成投资建议。）