签名
介绍签名系统，为什么签名可以保证比特币网络的安全性。
数字签名
签名用于证明你对一组公钥的所有权，以及你对交易的授权。比特币使用椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来生成和验证签名。
比特币的签名机制
比特币的签名机制是确保交易安全和完整性的核心技术之一。它基于公钥加密算法，通过数字签名来验证交易的合法性和防止篡改。比特币使用椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）来创建和验证签名。
如何创建签名
创建比特币交易签名的过程如下：
- 生成私钥：每个用户生成一个唯一的私钥。
- 生成公钥：通过椭圆曲线算法（ECDSA）从私钥生成对应的公钥。
- 创建交易哈希：对交易数据进行哈希处理，生成交易哈希（message hash）。这包括交易的输入、输出和其他相关数据。
- 生成签名：使用私钥对交易哈希进行签名，生成数字签名。
签名的创建步骤
- 选择消息：选择要签名的交易数据。
- 计算哈希：对交易数据进行哈希处理，通常使用SHA-256算法。
- 使用私钥签名：使用私钥对哈希值进行ECDSA签名，生成签名（r, s）。
签名生成的数学过程如下：
- 选择一个随机数k（保证唯一性和安全性）。
- 计算r = (k * G).x mod n，其中G是椭圆曲线的基点，n是曲线的阶。
- 计算s = (z + r * d) / k mod n，其中z是交易哈希，d是私钥。
最终，签名由(r, s)组成。
签名的编码
比特币的签名通常使用DER（Distinguished Encoding Rules）编码格式。DER编码是一种ASN.1的二进制编码格式，确保签名的规范性和一致性。
DER编码的签名由以下几部分组成：
- SEQUENCE：表示签名由多个部分组成。
- INTEGER r：签名的第一个整数部分r。
- INTEGER s：签名的第二个整数部分s。
DER编码格式的步骤如下：
- 编码r和s：将签名的两个整数部分r和s分别进行DER编码。
- 组合SEQUENCE：将r和s的编码结果组合成一个SEQUENCE。
DER编码的具体示例如下：
- r的DER编码：
02 <length_of_r> <r> - s的DER编码：
02 <length_of_s> <s> - SEQUENCE编码：
30 <length_of_sequence> <r_encoding> <s_encoding>
签名哈希类型
Signature Hash Type（签名哈希类型）用于指定签名适用的交易部分，影响签名验证的过程。比特币中常见的签名哈希类型有以下几种：
- SIGHASH_ALL（0x01）：对整个交易进行签名，包括所有输入和输出。这是最常用的签名哈希类型，确保交易的完整性。
- SIGHASH_NONE（0x02）：只对输入进行签名，输出可以由其他部分指定。适用于需要灵活调整输出的场景。
- SIGHASH_SINGLE（0x03）：对特定的输入和对应的输出进行签名，其他输出可以变化。适用于指定某个特定输出的场景。
MVC 针对签名哈希类型进行了拓展，需要增加SIGHASH_FORKID的前缀来区分与比特币网络的不同。具体请参考下表：
| Flag | Value including SIGHASH_FORKID | HEX / BINARY | Value excluding SIGHASH_FORKID | HEX / BINARY | Functional Meaning |
|---|---|---|---|---|---|
| SIGHASH_ALL | 0x41 | 0100 0001 | 0x01 | 0000 0001 | Sign all inputs and outputs |
| SIGHASH_NONE | 0x42 | 0100 0010 | 0x02 | 0000 0010 | Sign all inputs and no output |
| SIGHASH_SINGLE | 0x43 | 0100 0011 | 0x03 | 0000 0011 | Sign all inputs and the output with the same index |
| SIGHASH_ALL | ANYONECANPAY | 0xC1 | 1100 0001 | 0x81 | 1000 0001 |
| SIGHASH_NONE | ANYONECANPAY | 0xC2 | 1100 0010 | 0x82 | 1000 0010 |
| SIGHASH_SINGLE | ANYONECANPAY | 0xC3 | 1100 0011 | 0x83 | 1000 0011 |
签名过程示例
假设有一个比特币交易，我们需要对其进行签名，并选择SIGHASH_ALL类型。签名的步骤如下：
- 生成交易哈希：对交易数据进行哈希处理。
- 选择签名哈希类型：添加SIGHASH_ALL标志。
- 生成签名：使用私钥对交易哈希进行签名，得到DER编码格式的签名。
- 附加签名哈希类型：将SIGHASH_ALL标志附加到签名后。
总结
比特币的签名机制通过ECDSA算法确保交易的安全性和完整性。签名的创建过程涉及私钥生成、公钥生成、交易哈希计算和签名生成。DER编码用于标准化签名表示，确保其规范性。不同的Signature Hash Type提供了灵活的签名验证方式，适应不同的交易需求。了解比特币的签名机制，有助于深入理解比特币交易的安全性和技术细节。