2025年如何提高数字签名安全性？Schnorr签名 vs ECDSA，快速了解！

签名安全方案

在加密货币领域，签名安全是基石，它直接关系到整个系统的信任度和可靠性。数字签名在区块链技术中扮演着至关重要的角色，不仅用于验证交易的有效性，确保交易是由合法的账户所有者发起，也保护用户资产免受未经授权的访问，防止恶意行为者篡改或伪造交易。一个安全的签名方案必须能够抵抗各种攻击，包括密钥泄露（即使私钥在某种程度上暴露，也能最大限度减少损失）、重放攻击（防止交易被重复广播和执行）、以及侧信道攻击（通过分析硬件执行过程中的功耗、电磁辐射等信息来推断密钥）。本文将深入探讨签名安全方案的各个方面，包括但不限于签名算法的选择、密钥管理的最佳实践、以及针对特定攻击的防御策略，旨在为读者提供一个全面的理解，从而更好地设计和使用安全的加密货币系统。

密钥生成与存储

随机数在加密货币安全中的重要性

在加密货币领域，生成安全可靠的密钥对至关重要，而生成密钥对的首要步骤便是产生高质量的随机数。如果随机数生成器（RNG）存在任何缺陷或漏洞，攻击者就有可能预测用户的私钥，进而非法窃取用户的数字资产，造成无法挽回的损失。因此，一个健全且安全的RNG必须满足以下严格的要求，以确保密钥的安全性：

• 不可预测性（Unpredictability）： 对于一个理想的随机数生成器而言，其输出必须是完全不可预测的。这意味着攻击者即使掌握了先前生成的随机数序列，也无法通过任何计算或分析手段来预测下一个随机数的值。不可预测性是防止私钥被破解的基础。
• 均匀分布（Uniform Distribution）： 随机数在整个可能的取值范围内必须呈现均匀分布的状态。也就是说，每一个可能的数值都应该有近似相同的概率被生成。如果随机数分布不均匀，某些数值出现的频率会高于其他数值，攻击者便可利用这种偏差来缩小搜索范围，增加破解私钥的风险。
• 抗熵枯竭（Resistance to Entropy Starvation）： 熵是衡量随机性的指标。一个优秀的RNG应该具备强大的抗熵枯竭能力。即使熵源（例如系统中的噪声或物理过程）受到限制或出现故障，RNG仍然能够保持良好的性能，持续生成高质量的随机数，防止因熵不足而导致的安全性问题。

常见的RNG实现方式包括硬件随机数生成器（HRNG）和伪随机数生成器（PRNG）。硬件RNG（HRNG）通常利用物理世界中的随机现象作为熵源，例如热噪声、放射性衰变、大气噪声或半导体器件中的量子效应。这些物理过程本质上是随机的，因此HRNG能够生成高质量的随机数。PRNG（伪随机数生成器）则使用确定性的算法来生成随机数序列。尽管PRNG的输出序列是确定性的，但它们需要一个高质量的种子作为初始输入。种子的质量直接影响到PRNG生成的随机数的质量和安全性。一个弱种子可能会导致PRNG生成可预测的随机数序列，从而危及密钥的安全。

密钥存储

私钥是访问和控制加密货币资产的关键，因此必须采取严格的安全措施来防止未经授权的访问、丢失或盗窃。选择合适的密钥存储方案对于保障资产安全至关重要。常见的密钥存储方法包括：

• 硬件钱包： 硬件钱包是一种专门设计用于安全存储私钥的物理设备，也被称为冷钱包。它通常采用安全元件（Secure Element）或类似的安全芯片，将私钥存储在一个隔离且防篡改的环境中。使用硬件钱包进行交易时，私钥永远不会离开设备本身。交易签名过程在硬件钱包内部完成，并通过物理确认机制（例如按钮）授权交易。硬件钱包能够有效抵御计算机病毒、恶意软件和网络钓鱼等攻击，是存储大量加密资产的首选方案。常见的硬件钱包品牌包括Ledger、Trezor和KeepKey。
• 软件钱包： 软件钱包，也被称为热钱包，将私钥存储在计算机、智能手机或平板电脑等设备上。由于设备联网，软件钱包的便利性较高，便于日常交易和使用。为了提高安全性，软件钱包通常会使用加密算法（如AES或RSA）对私钥进行加密存储。用户还需要设置强密码并定期更新，启用双重身份验证（2FA），并保持操作系统和钱包软件的更新，以降低安全风险。常见的软件钱包包括MetaMask、Trust Wallet和Exodus。需要注意的是，存储在联网设备上的私钥更容易受到攻击，因此不建议在软件钱包中存储大量资产。
• 多重签名（Multi-Signature）： 多重签名（Multisig）是一种高级的安全机制，要求多个私钥共同签名才能完成交易。例如，一个2/3多重签名钱包需要至少3个私钥中的2个签名才能转移资金。多重签名可以有效防止单点故障，即使某个私钥泄露，攻击者也无法单独控制资产。多重签名常用于企业级资产管理、联合账户和增强个人资金安全。多重签名地址的创建通常涉及使用特定的软件钱包或智能合约。
• 密钥分片（Secret Sharing）： 密钥分片是一种将私钥分割成多个独立部分的技术，并将这些分片存储在不同的地点或由不同的参与者保管。只有集齐足够数量（通常是预先设定的阈值）的分片才能重建完整的私钥。密钥分片可以显著提高私钥的安全性，因为攻击者需要同时攻破多个存储点才能获取私钥。Shamir's Secret Sharing (SSS) 是一种常见的密钥分片算法。密钥分片常用于机构级的安全存储和备份解决方案。

签名算法的选择

ECDSA的脆弱性

椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）作为一种广泛应用的非对称加密算法，在区块链、数字证书和安全通信等领域占据着举足轻重的地位。尽管其数学基础坚实，被广泛认为是安全的，但ECDSA在实际应用中也存在一些已知的脆弱性，如果处理不当，可能会导致私钥泄露，进而危及整个系统的安全。

其中，最值得关注的漏洞之一是nonce (k值) 的重用问题。在ECDSA签名过程中，每个签名都需要生成一个随机数k，也被称为nonce。如果使用相同的nonce对不同的消息进行签名，攻击者可以利用已公开的数学公式，结合两次签名的结果以及公开的公钥，成功推导出私钥。这种攻击的原理在于，重复使用的nonce消除了签名方程中的随机性，使得方程可以被求解。因此，安全地生成和管理nonce是至关重要的，通常建议使用加密安全的伪随机数生成器（CSPRNG）来生成nonce，并确保每个签名都使用唯一的nonce。

除了nonce重用漏洞外，侧信道攻击也是ECDSA面临的一大威胁。侧信道攻击并非直接攻击ECDSA算法本身，而是通过分析签名过程中的物理信息泄露来获取私钥信息。这些物理信息包括但不限于：功耗、电磁辐射、时序信息等。例如，不同的计算操作可能消耗不同的功率，攻击者可以通过监测设备的功耗变化来推断出私钥的某些位。同样，ECDSA计算所需的时间也可能依赖于私钥的值，攻击者可以分析签名所需的时间来获取私钥信息。为了防范侧信道攻击，通常需要采用一些抗侧信道攻击的措施，例如掩码技术、随机化技术和恒定时间算法等，以隐藏签名过程中的物理信息泄露。

Schnorr签名的优势

Schnorr签名是一种相较于椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA) 更先进且安全的数字签名方案。它在密码学领域备受关注，主要得益于其卓越的特性，包括但不限于以下几点：

• 线性性： Schnorr签名展现出独特的线性性质。这种特性使得在区块链和分布式账本技术 (DLT) 应用中，可以更轻松地实现多重签名和聚合签名。多重签名允许交易需要多个密钥持有者的授权才能执行，增强了安全性。聚合签名则可以将多个签名合并成一个签名，显著降低链上数据存储空间。
• 安全性证明： Schnorr签名拥有更强的安全性证明，其安全性基于离散对数问题的困难性。相较于ECDSA，Schnorr签名在数学上经过了更严格的分析和验证，更能抵抗各种已知和潜在的密码学攻击，例如侧信道攻击和故障注入攻击。
• 简洁性： Schnorr签名的签名长度通常比ECDSA更短。更小的签名尺寸意味着交易在网络中传输时占用更少的带宽，从而提高了交易效率，降低了交易费用，尤其是在高交易量的区块链网络中优势更加明显。更小的签名尺寸也意味着更低的存储成本。

鉴于Schnorr签名在安全性、效率和隐私方面的优势，越来越多的加密货币项目正积极探索并采用Schnorr签名。例如，Bitcoin的Taproot升级是对比特币协议的一次重大改进，其中就包含了Schnorr签名方案。Taproot升级不仅提升了比特币交易的隐私性，还为未来更复杂的智能合约应用奠定了基础。除了比特币之外，其他区块链项目也在积极研究和实施Schnorr签名，以期提高其网络的性能和安全性。

BLS签名

BLS (Boneh-Lynn-Shacham) 签名是一种基于双线性配对的密码学签名方案。它在区块链和分布式系统中越来越受欢迎，这得益于其独特的属性。

• 聚合性： BLS签名最显著的优势在于其聚合能力。多个不同的消息签名可以被聚合成一个单一的签名，显著减少了链上的数据量，降低了存储和带宽需求。这对于资源受限的环境，如物联网设备或高吞吐量的区块链网络，至关重要。
• 无信任聚合： BLS签名的聚合过程是无需信任的。这意味着任何第三方，无需事先与签名者建立信任关系，都可以验证并聚合多个独立的BLS签名。这种特性简化了多签名交易和数据验证流程，消除了中心化协调的需求。 聚合后的签名验证等同于验证所有单个签名的组合，保证了安全性。
• 阈值签名： BLS签名可以构建阈值签名方案。在阈值签名中，只有当达到预先设定的签名者数量时，交易才能生效。例如，在一个需要5个成员中至少3个同意才能执行操作的系统中，可以使用BLS阈值签名来实现这一逻辑。这种机制提高了安全性，防止了单点故障，并支持更复杂的治理模型。每个参与者持有密钥份额，只有当足够数量的份额组合在一起时，才能生成有效的签名。

BLS签名在隐私保护和可扩展性方面具有巨大的潜力。其聚合特性减少了交易的足迹，从而降低了链上信息泄露的风险。同时，其无信任聚合和阈值签名能力为构建更安全、更高效的分布式系统提供了强大的工具。在未来的区块链发展中，BLS签名有望发挥关键作用，特别是在需要高吞吐量、隐私保护和复杂共识机制的应用场景中。

签名流程的安全

防止Nonce重用

在使用椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA) 进行签名时，至关重要的是确保每个签名操作都使用一个唯一且不可预测的nonce（随机数）。Nonce重用会带来灾难性的安全风险，攻击者可以利用相同的nonce和不同的签名来推导出私钥。因此，采取有效的措施来防止nonce重用是保护加密货币资产安全的基础。

以下是一些常见的、经过验证的防止nonce重用的方法，这些方法在实践中被广泛采用，以确保签名过程的安全性：

• 确定性Nonce生成 (Deterministic Nonce Generation - RFC 6979)： 这种方法采用HMAC-SHA256（带密钥的哈希消息认证码）等密码学安全散列函数，结合私钥和消息本身作为输入，来生成nonce。由于nonce的生成完全取决于私钥和消息，因此只要私钥安全且消息不同，生成的nonce也必然不同。 RFC 6979 标准详细描述了这种确定性方法，并提供了具体实现指南。这种方法避免了对真随机数生成器的依赖，提高了签名过程的可预测性和安全性。
• Nonce池（Nonce Pool）： 维护一个预先生成的、足够大的nonce池。每次签名时，从该池中随机选择一个nonce使用。使用后，该nonce必须从池中移除，以防止被重复使用。 为了确保安全性，nonce池的大小必须足够大，并且需要使用密码学安全的随机数生成器来填充nonce池。 定期更新nonce池也是一个最佳实践，以防止潜在的泄露或预测。
• 密钥推导 (Key Derivation)： 这种方法基于一个主密钥，使用密钥推导函数 (KDF)，如HKDF (HMAC-based Key Derivation Function) 或 BIP32 中使用的密钥推导方法，来生成多个子密钥。 每个子密钥专门用于对不同的消息进行签名。 由于每个签名都使用不同的密钥，因此nonce重用的风险被完全消除。 这种方法的优点是可以提供更高的安全性，因为即使某个子密钥被泄露，也不会影响其他子密钥的安全性。 密钥推导也便于密钥管理，可以有效地管理大量的密钥。

抵御侧信道攻击

侧信道攻击是一种隐蔽的攻击方式，它不直接攻击加密算法本身，而是通过分析签名或其他加密过程中泄露的辅助信息来推导私钥。这些辅助信息可能包括功耗、电磁辐射、时序信息（例如，运算所需的时间）、声音甚至温度变化。攻击者利用这些侧信道信息可以绕过复杂的数学算法，从而破解加密系统。抵御侧信道攻击至关重要，因为它能有效保护私钥的安全性。

• 掩码（Masking）： 掩码技术通过在签名算法中使用随机值来“掩盖”敏感数据，例如私钥。将私钥与一个随机生成的掩码进行组合（例如，通过加法或异或运算），然后在后续的计算中使用这个掩码后的值。在签名过程结束时，再移除掩码。由于攻击者无法直接观察到真实的私钥值，因此攻击难度显著增加。不同的掩码方案具有不同的安全级别和性能开销，选择合适的掩码方案需要权衡安全性和效率。
• 随机化（Randomization）： 随机化是指在签名过程中引入随机数，使每次签名操作的执行路径和计算结果都不同。例如，可以随机选择椭圆曲线上的不同点进行标量乘法，或者在中间计算步骤中插入随机延迟。通过增加签名过程的随机性，可以有效地防止攻击者通过多次测量来平均侧信道信息，从而降低攻击成功的概率。随机数生成器的质量对随机化的安全性至关重要，必须使用密码学安全的随机数生成器。
• 常量时间操作（Constant-Time Operations）： 常量时间操作是指算法的执行时间与输入数据无关，无论输入什么数据，算法的执行时间都保持不变。这意味着攻击者无法通过测量算法的执行时间来推断有关私钥的信息。实现常量时间操作通常需要避免使用条件分支（if/else语句）和查找表等操作，因为这些操作的执行时间可能取决于输入数据。常量时间编程需要仔细审查代码，确保所有操作都在固定时间内完成。
• 硬件加速（Hardware Acceleration）： 使用专门的硬件加速器来执行签名操作可以显著减少攻击窗口。硬件加速器通常具有更高的安全级别，并且可以更有效地抵御侧信道攻击。例如，硬件安全模块（HSM）和智能卡等设备可以安全地存储私钥并执行签名操作，而无需将私钥暴露给软件环境。硬件加速器通常具有内置的侧信道攻击防护机制，例如屏蔽和滤波等。使用硬件加速器可以显著提高签名操作的安全性和性能。

防范恶意软件

恶意软件对加密货币用户构成重大威胁，因为它可能通过多种方式危及资金安全。常见的攻击手段包括窃取存储在计算机或移动设备上的私钥，或者在交易签名过程中进行恶意篡改。因此，采取全面的恶意软件防护措施至关重要。以下是一些关键的防范策略：

• 安装并维护杀毒软件： 选择一款信誉良好、实时防护的杀毒软件，并确保其病毒库保持最新。定期更新病毒库是至关重要的，因为新的恶意软件会不断涌现。杀毒软件可以检测、隔离和清除已知恶意软件，从而减少潜在风险。
• 启用并配置防火墙： 使用防火墙来监控和控制进出计算机的网络流量。防火墙可以阻止未经授权的网络连接，从而防止恶意软件通过网络入侵系统。合理配置防火墙规则，限制不必要的网络访问，可以进一步增强安全性。
• 谨慎下载和安装软件： 只从官方网站或可信的软件商店下载软件。在安装软件之前，务必仔细阅读用户协议和权限请求，避免安装包含恶意代码的软件。警惕捆绑安装，取消勾选不必要的附加软件。对于来源不明的软件，应格外小心，最好先进行安全扫描。
• 定期进行全面系统扫描： 定期使用杀毒软件对计算机进行全面扫描，以检测和清除潜在的恶意软件。建议每周至少进行一次全面扫描，并根据实际情况增加扫描频率。除了杀毒软件的扫描，还可以使用在线恶意软件扫描工具进行辅助检测。
• 保持操作系统和软件更新： 及时安装操作系统和应用程序的安全更新。软件更新通常包含对已知漏洞的修复，可以有效防止恶意软件利用这些漏洞入侵系统。启用自动更新功能，可以确保系统始终处于最新状态。
• 使用安全浏览习惯： 避免访问可疑网站，特别是那些提供盗版软件、破解工具或非法内容的网站。不要轻易点击不明链接或下载未知文件。警惕网络钓鱼攻击，不要在可疑网站上输入个人信息或加密货币密钥。
• 考虑硬件钱包的备份： 如果使用硬件钱包存储加密货币，创建备份密钥并将其安全存储在离线环境中。即使设备感染了恶意软件，备份密钥也可以用于恢复资金。

多重签名与阈值签名

多重签名 (Multi-Signature)

多重签名 (或称为多签) 是一种增强加密货币交易安全性的技术，它要求多个不同的私钥共同授权才能完成一笔交易。 与传统的单签名交易不同，多重签名方案通过分散控制权，显著降低了因单个私钥被盗、丢失或泄露而导致资产损失的风险。只有当预先设定的足够数量的私钥持有人共同签名确认，交易才能被网络验证和执行，从而形成一道坚固的安全屏障。

多重签名的实现依赖于密码学原理，它允许创建一个共享的地址，与该地址相关联的是一组私钥，以及一个规定的阈值（例如，2/3，3/5）。这意味着需要至少达到阈值数量的私钥持有者进行签名，交易才能生效。这种机制有效地将风险分散到多个参与者之间，提高了资产管理的安全性。

多重签名技术在加密货币领域有着广泛的应用，尤其适用于对安全性要求极高的场景：

• 联合账户 (Shared Accounts)： 多个人共同管理一个账户，所有交易都需要经过多方批准。例如，公司财务账户、家庭共同储蓄账户或团队项目资金池，可以避免单人擅自挪用资金。
• 托管服务 (Custodial Services)： 加密货币交易所、钱包服务提供商和其他托管机构使用多重签名来保护用户的资产安全。需要多个签名才能提取用户的资金，即使内部人员恶意操作也难以成功。通过这种方式，可以有效防止内部盗窃和单点故障。
• 智能合约 (Smart Contracts)： 在智能合约中，多重签名可以用于控制关键操作的执行，例如合约升级、参数变更或资金释放。 这确保了重要的决策需要经过多个利益相关者的同意，从而避免了恶意攻击或合约漏洞被滥用。例如，一个DAO（去中心化自治组织）可以使用多重签名来管理其资金库。
• 冷存储 (Cold Storage)： 将大部分资金离线存储，使用多重签名来控制资金的转移。即使热钱包被盗，冷存储中的资金仍然安全。只有当离线的多重签名参与者共同签名，才能将资金从冷存储中转移出来。
• 原子交换 (Atomic Swaps)： 多重签名可以用于实现安全的原子交换，允许两个人在没有信任第三方的情况下直接交换不同的加密货币。只有当双方都签名确认，交易才能完成。

总而言之，多重签名提供了一种强大的安全机制，适用于各种需要高度安全性的加密货币应用场景。通过分散控制权，可以有效防止单点故障和恶意攻击，保障资产安全。

阈值签名

阈值签名方案是多重签名技术的一种高级扩展，旨在提供更高的灵活性和安全性。与传统的多重签名不同，阈值签名允许设置一个特定的签名阈值，而不是要求所有参与者都签名才能授权交易。这意味着，在 n 个潜在签名者中，只需要至少 t 个签名者的同意（其中 t ≤ n ）即可完成交易的授权。这种机制显著增强了系统的容错性和可用性。

阈值签名利用密码学原理，保证只有当满足预设阈值条件时，签名才会被认为是有效的。常见的实现方式包括基于秘密分享的方案，其中秘密（例如私钥）被分割成多个份额，每个份额由一个参与者持有。只有当足够数量的份额被组合起来，才能重构秘密并生成有效签名。这有效地避免了单点故障风险。

阈值签名在多种场景下具有重要的应用价值：

• 董事会决策： 在企业环境中，重要的财务决策或战略调整通常需要董事会的批准。阈值签名可以确保只有在达到法定数量的董事同意的情况下，决策才能生效。例如，一个由9名董事组成的董事会可以设置阈值为5，这意味着至少需要5名董事的签名才能执行特定的财务交易。
• 紧急恢复： 在加密资产管理中，密钥丢失或被盗是严重的风险。阈值签名可以作为一种有效的备份和恢复机制。例如，可以将私钥分成多个份额，分别存储在不同的安全地点或由不同的受信任方持有。一旦主密钥丢失，可以通过收集足够数量的份额来重建私钥，从而恢复对资产的控制权。这大大降低了因单点密钥泄露而导致资产永久丢失的风险。
• 去中心化治理： 在去中心化自治组织（DAO）中，重大决策通常需要社区成员的投票或签名。阈值签名可以确保决策过程的公平性和安全性。通过设置合理的阈值，可以防止少数恶意参与者控制整个组织，并确保社区的集体意志得到尊重。例如，一个DAO可以要求至少三分之二的成员签名才能批准新的提案或执行智能合约的升级。

密钥轮换

即使部署了多层安全防护措施，私钥仍然面临潜在的泄露风险。这种风险可能源于内部威胁、外部攻击、软件漏洞或人为失误等多种因素。因此，实施周期性的密钥轮换策略至关重要。密钥轮换是指按照预定的时间间隔，使用新的私钥替代旧的私钥，从而有效降低私钥泄露可能造成的损害。

密钥轮换的频率应基于资产的价值、安全风险评估以及合规性要求等多方面因素综合确定。对于存储高价值加密资产的钱包或账户，建议采用更为频繁的密钥轮换策略，例如每月或每季度进行一次。而对于风险较低的应用场景，可以适当延长轮换周期。

为了确保密钥轮换过程的安全性和效率，建议采用自动化流程。自动化工具可以简化密钥生成、分发、激活和吊销等环节，减少人为干预可能引入的错误，并提高轮换速度。自动化系统应具备完善的审计日志记录功能，以便于追踪密钥轮换历史和排查潜在问题。

密钥轮换策略还应包括密钥备份和恢复机制。在轮换过程中，务必安全地备份旧密钥，以便在出现紧急情况时能够恢复对加密资产的访问。同时，定期测试密钥恢复流程，确保其可靠性和有效性。

在实施密钥轮换时，需要考虑对现有系统和应用程序的影响。应提前规划并测试密钥迁移方案，确保平滑过渡，避免服务中断或数据丢失。需要对相关人员进行培训，使其了解密钥轮换流程和安全注意事项。

签名安全是一个复杂而重要的课题。为了保护加密货币资产的安全，必须采取各种安全措施，包括选择安全的签名算法、安全地生成和存储密钥、以及防范各种攻击。通过不断改进签名安全方案，可以提高加密货币系统的安全性和可靠性。