March 26, 2020

重新创造比特币4:数字签名

作者：何岩，由 recreating.org发行。

0.前言 #

前篇说到了对称加密，并且我们发现没必要将交易的消息全部加密，因为交易数据不怕见光。只需要加密一小部分即可，究竟应该加密哪部分呢？

1.签名 #

既然我们的根本目的并不是防止别人看到交易数据的明文，而只是要用密文证明“我是我”。那么我的要求就是尽量加密更少的文字，即，加密付款者的名字。

这是为什么呢？

启发往往来自于现实生活的例子：

赵四想买台拖拉机，但是钱不够，向刘能借了1万块钱，刘能要求赵四写个借条。

赵四当然不愿意写啊，赵四就说自己不会写字。

刘能当然不能放过他啊，刘能就帮赵四写了欠条：“赵四欠刘能壹万元整”。
但是这个欠条并不具有法律效果，因为赵四可以说是刘能自己瞎写的。那么为了让这个借条成为证据，赵四最少也要签上自己的名字。因为赵四的笔迹是全世界唯一的，所以赵四签上了自己的名字，就代表着这个名字的本人认可这张借条的内容。如果赵四签的不是自己的名字，这张借条也不成立，也就是说赵四的唯一的笔迹，只在写自己的名字的时候借条生效。（见下图）

签名

赵四的写字方式就是私钥，因为全世界就赵四能用这种方式写字。

“赵四”这俩个标准汉字就是公钥。

赵四的私钥（写字方式）只有在加密自己的公钥（“赵四”）的时候有法律效应，加密别人的公钥（签别人的名字）就无效。

反之，法官看到赵四的签名（那个写得乱七八糟的签字，等价于加密后的密文），可以用公钥来解密签名，因为公钥是“赵四”。

所以法官可以调取法院保存的签名数据库，找到赵四过往的签名来对比。

也可以传唤赵四本人出庭，让他辨认（解密）一下这个签名（密文）是不是自己签署（加密）的。

现实中我们管借条上的名字叫做签名，签名就是证明“我是我”的最少文字。
根据上面得到的灵感，借鉴到Bitcoin交易系统中，Alice用私钥加密自己的名字“Alice”即可作为证明，加密后的密文就称为：数字签名。（见下图）

利用数字签名来证明Alice是Alice

2.签名用户名的漏洞 #

中本聪一遍一遍的在脑子里模拟着系统的运行，忽然发现了一个漏洞。

这个漏洞就是由于服务器没有存储用户名和公钥的对映关系，所以就不知道Alice的公钥是什么。如果有人用自己的公钥签署了别人的名字，法律上就等同于李四在借条上签了谢大脚的名字，是无效的。但是现在的设计中服务端没有能力判断，因为服务器没有类似法院的签名数据库。

如果Carol想要窃取Alice的Bitcoin：

1.Carol创建一条虚假的交易数据：“Alice to Carol 40”。

2.Carol用自己的私钥加密Alice的用户名，得到一个伪造的签名：“806535be3e“。

3.然后将Carol的公钥＋伪造的签名＋伪造的交易数据，放入消息中，发送给Bitcoin服务端。

4.服务端收到消息，解析得到三部分：公钥、签名、交易数据。

5.服务端利用Carol的公钥来解密Carol伪造的签名，得到明文的用户名：“Alice”。

6.服务器只会验证签名明文“Alice”是否等于交易数据中的付款方“Alice”。

问题就出在这里，服务端没有办法验证消息中收到的公钥是否是Alice的，而本例子中的公钥是Carol的，服务器端因为没有存储公钥和用户的对映关系，所以无法判断。

7.服务器验证通过，交易写入账本，交易生效！Carol成功的冒充Alice给自己转了40个Bitcoin。(见下图)

使用用户名作为签名的漏洞

3.公钥替代用户名 #

那么这个漏洞的关键点在哪里呢？

关键点就在于，虽然服务器可以解密出签名的明文用户名，但是服务端不知道用户名和消息中的公钥是不是属于同一个人，也就是说服务端不知道Alice的公钥是什么，当然也不知道Carol的公钥是什么？所以Carol可以用自己的私钥来签署用户名为“Alice的签名。服务端用Carol的公钥来解密这个签名自然可以解开。

所以选择用户名来签名是行不通的。

如何绕过这个漏洞呢？

中本聪和Gilfoyle开始思考起来。

如果我们让服务器来存储用户名和公钥的对应关系，就又走回账户模型的老路了。

那么根本的解决思路是什么呢？

中本聪忽然有了灵感：“根本的解决的办法就是舍弃用户名！干脆用公钥来代替用户名！”

同样的场景：如果Carol想伪造一条Alice转账给自己的交易数据，就由上一个例子中的“Alice to Carol 40”变成了“公钥A to 公钥C 40”，其中我们用公钥A代表Alice的公钥，公钥C代表Carol的公钥。

整个流程是这样的：

1.Carol创建一条虚假的交易数据：“公钥A to 公钥C 40”，意思就是Alice的公钥转账给Carol的公钥40个Bitcoin。

2.Carol用自己的私钥加密Alice的公钥A，得到一个伪造的签名：“f9293ued3“。

3.然后将公钥C＋伪造的签名＋伪造的交易数据，放入消息中，通过网络发送给Bitcoin服务端。

4.服务端收到消息，解析后得到三个部分：公钥、签名、交易数据。

5.服务端利用Carol的公钥来解密Carol伪造的签名，得到明文的用户名：“公钥A”（即，Alice的公钥）。

6.服务器开始验证逻辑：比较消息中的公钥C和签名中解密出来的公钥A是否相等，显然这俩个公钥不相等，所以可以认定这笔交易不合法。

7.服务端拒绝继续处理，交易无效。
这样就解决了上面的漏洞，只需要将签名由加密用户名，改为加密公钥。(见下图)

公钥替代用户名

4.将签名加入到交易模型中 #

中本聪在脑子里又模拟运行了几遍系统，忽然又出现了一个灵感：“现在的消息由三个部分组成：公钥，签名，交易数据。这里可以优化一下，首先可以去掉消息中的公钥参数，因为它和交易数据中的付款方公钥重复了。另外消息中的签名参数也可以去掉，我们将签名放入到交易数据中，变更下交易的模型，增加一个签名字段，这样签名就作为交易数据的一部分，可以被写入账本中，永远可查。”

Gilfoyle说：“这样的改动十分合理！交易模型中增加签名字段是很必要的，因为每笔交易的签名应该和交易的业务数据一起存储，并且永不分开。就好比欠条中的描述文字和签名不可分开一样，如果分开就等于欠条被撕成了两半，不再具备法律效应。”（见下图）

消息的改造

改造之后的完整交易是这个样子（见下图）

改造交易模型之后的交易

“到此为止，用户名就没有任何用处了，因为公钥可以替代用户名，user.txt也就没有存在的意义了，终于可以彻底舍弃账户模型了！”中本聪终于把用户注册的问题给根本性的解决了。

Gilfoyle说：“我们可以将用户的公钥理解成收款的地址，而不仅仅看成是用户名，虽然本质上他们是一个意思”。

“这个认知很棒！就像我订报纸的时候，不必告诉送报纸的人我的真名叫什么，我只要告诉他我的邮寄地址就可以啦。将公钥理解成收款地址而非用户名，的确更符合日常的生活经验。”

“我准备开始编码了，升级到只有账本模型的新版本”，中本聪一边说着一边打开电脑，迅速的敲打起来。

Gilfoyle慢慢悠悠的说：“我可以帮忙吗？”。
中本聪说：“太好了！你来改数据部分，我来搞程序部分，我把服务器的密码告诉你”。
Gilfoyle按照刚才的讨论，进入服务器，开始修改数据模型。
首先要将user.txt删除。
然后将transaction.txt中的用户名统统改成用户的公钥。
最后将签名字段加入到交易模型中。（见下图）

数据模型的改造

5.后记 #

故事中的Bitcoin系统虽然引入了数字签名，并最终舍弃了账户模型。

但是，当前的设计是存在设计漏洞的，因为每次用户的签名不变，所以存在被重复使用的漏洞。例如Alice付款给Carol了50个Bitcoin，那么Carol就有动机，将这笔交易数据截获，并重复多次的向服务端发起相同的请求，服务端就会误以为Alice自愿支付多次50Bitcoin给Carol，直到Alice的余额减少到小于50bitcion。

这个漏洞将在后面的故事中修复。

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