以太坊上的数字签名

密码学签名是区块链的关键技术之一，可以在不暴露私钥的前提下证明地址的所有权。该技术主要用来签署交易（当然也可以用来签署其他任意消息）。本文会讲解数字签名技术在以太坊协议中的用法。

免责声明：密码学很难。请不要将本文的任何内容作为参考，来实现您自己的密码学函数。虽然我们已经进行了广泛的研究，但是文本所提供的信息可能仍有不准确之处。本文仅用作教育用途。

当我们讨论密码学中的签名时，我们其实是在讨论所有权、有效性和完整性证明。举例来说，这些签名可以用来：

密码学签名是基于数学公式的。我们拥有一个输入消息、一个私钥和一个（通常情况下是秘密的）随机数，就可以得到一串数字作为输出值，也就是签名。使用另一个数学公式可以进行反向计算，在不知道私钥和随机数的情况下进行验证（译者注：即验证该签名是否出自跟某个公钥对应的私钥）。这类算法有很多，如 RSA 和 AES，但是以太坊（和比特币）采用的都是椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）。请注意，ECDSA 只是签名算法。与 RSA 和 AES 不同，这种算法不能用于加密。

- 椭圆曲线的例子之一。以太坊采用的是 SECP256k1 曲线。 -

通过椭圆曲线点乘算法（elliptic curve point manipulation），我们可以使用私钥计算出一个不可逆向计算的值（译者注：即 “公钥”，公钥无法逆向计算出私钥）。这样一来，我们就可以创建出安全且不可篡改的签名。能够生成不可逆向计算的值的函数叫做 “陷门函数（trapdoor function）”：

陷门函数指的是在一个方向上易于计算，但是在缺少特殊信息（即，陷门）的情况下很难反向计算的函数。

ECDSA 签名由两个数字（整数）组成：r 和 s。以太坊还引入了额外的变量 v（恢复标识符）。签名可以表示成 {r, s, v}。

在创建签名时，你要先准备好一条待签署的消息，和用来签署该消息的私钥（d?）。简化后的签名流程如下：

在以太坊上，通常使用 Keccak256("\x19Ethereum Signed Message:\n32" + Keccak256(message))来计算哈希值。这样可以确保该签名不能在以太坊之外使用。

由于 k 是随机值，我们每次得到的签名都不一样。如果 k 的随机程度不够高，或者随机值被泄漏，就有可能使用两个不同的签名计算出私钥【“fault attack”】。但是，如果你在 MyCrypto 内签署同一条消息，每次得到的输出值都相同，那么如何确保其安全性？这些确定性签名均采用 RFC 6979 标准。该标准描述了如何基于私钥和消息（或哈希值）来生成安全的 k 值。

{r, s, v} 签名可以组成一个长达 65 字节的序列：r 有 32 个字节，s 有 32 个字节，v 有一个字节。如果我们将该签名编码成一个十六进制的字符串，我们最后会得到一个 130 个字符长的字符串。大多数钱包和界面都会使用这个字符串。以 MyCrypto 为例，一个完整的签名如下图所示：

在 MyCrypto 的 “验证消息（Verify Message）” 一页中，我们可以使用该签名，并看到该消息是由 0x76e01859d6cf4a8637350bdb81e3cef71e29b7c2 签署的。

- MyCrypto 上的签名验证通过。点击此处，即可体验。 -

你可能会问：为什么要将 address、msg 和 version 等其它信息也包括在内？不能只验证签名本身吗？好吧，不能。如果不保留其它信息，就好像签了一个合同，然后删除了合同里的所有信息，只留下当事人的签名。不同于交易签名（我们之后会作更深入解释），消息签名就只是签名而已（译者注：因此只有签名是没法验证的）。

为了验证消息，我们需要掌握原始消息、使用私钥签署消息的地址，以及 {r, s, v} 签名本身。版本号就是 MyCrypto 使用的某个版本号。旧版本的 MyCrypto 通常会加上消息的当前日期和时间，计算其哈希值，然后按照上述步骤签署该消息。后来又进行了更改，以符合 JSON-RPC 方法personal_sign 方法，因此需要指明版本号（“2”）。

简化后的公钥恢复流程如下：

Q? 是地址用来签名的私钥所对应的公钥。我们可以通过公钥计算出一个地址，并检查该地址是否与已提供地址相符。如果相符，则签名有效。

v 是签名的最后一个字节，而且不是 27 (0x1b) 就是 28 (0x1c)。恢复标识符非常重要，因为我们使用的是椭圆曲线算法，仅凭r 和 s 可计算出曲线上的多个点，因此会恢复出两个不同的公钥（及其对应地址）。v 会告诉我们应该使用这些点中的哪一个。

在大多数实现中，v 在内部只是 0 或 1，而 27 是在签署比特币消息时加上的任意数。以太坊也接受了这一点。

从 EIP-155 开始，我们还使用链 ID 来计算 v 值。这可以防止跨链重放攻击：以太坊上签署的交易无法在以太坊经典上使用，反之亦然。目前，恢复标识符只用来签署交易而非消息。

目前为止，我们主要讨论了针对消息的签名。就像消息一样，交易在发送前也需要签名。如果你使用 Ledger 和 Trezor 之类的硬件钱包，签名过程会在硬件内部发生。如果使用私钥（或 keysotre 文件、助记词），可以直接在 MyCrypto 上完成签名。签署交易所使用的方法与签署消息非常相似，只不过交易的编码方式略有不同。

要签署的交易先用 RLP 编码方式编码，包含了所有交易参数（nonce、gas price、gas limit、to、value、data）和签名（v, r, s）。签过名的交易如下所示：

如果我们在 MyCrypto 的已签名交易广播页面上输入该交易，我们就会看到所有交易参数：

- MyCrypto 的已签名交易广播页面上的交易参数概览 -

签过名的交易的第一组字节包含 RLP 编码后的交易参数，最后一组字节包含签名 {r, s, v}。我们可以通过以下方式对签名交易进行编码：

将经过 RLP 编码的交易数据解码后，我们又可以得到原始交易参数和签名。

请注意，链 ID 是被编码到签名的 v 参数中的，因此我们不会将链 ID 本身包含在最终的签名交易数据中。我们也不会提供任何发送方地址，因为地址可以通过签名恢复。这就是以太坊网络内部用来验证交易的方式。

关于如何为签名消息定义标准结构，人们提出了很多种提议。目前为止，还没有一个提议最终确定下来。最初由 Geth 实现的 personal_sign 格式依然是最常见的。尽管如此，有一些提议非常有趣。

我先来简单介绍下目前创建签名所采用的方式：

消息通常会预先进行哈希计算，因此长度会固定在 32 个字节：

完整的消息（包括前缀）会再经历一次哈希计算，然后用私钥对哈希值签名。这种方式适用于所有权证明，但是在其它情况下可能会出现问题。例如，如果用户 A 签署了一个消息并将其发送给合约 x，用户 B 可以复制这个已签署消息并发送给合约 Y。这就叫重放攻击。有一些提案旨在解决这一问题，如 EIP 191 和 EIP 721。

EIP 191 是一个很简单的提案：它定义了版本号和版本专有数据。格式如下所示：

顾名思义，版本专有数据（version specific data）取决于我们所使用的版本。目前，EIP 191 有三个版本：

如果我们指定目标验证者（如，合约地址），该合约可以使用自己的地址来重新计算哈希值。将已签署消息提交到不同的合约实例是行不通的，因为后者无法验证签名。

由于 0x19 已经被选为固定的字节前缀，签名消息无法成为经过 RLP 编码的签名交易，因为后者永远不会以 0x19 开头。

请不要将 EIP 712 与非同质化代币标准 ERC 721 搞混了。EIP 712 是一个关于 “类型化” 已签署数据的提案。通过人类可读的方式将数据呈现出来，这样可以降低数据的验证难度。

- 通过 MetaMask 签署消息。左边是旧版已签署消息界面（使用的是 personal_sign，右边是新版界面（使用的是 EIP-712）。 -

EIP-712 定义了一种新的方法来代替 personal_sign：eth_signTypedData（最新版用的是 eth_signTypedData_v4）。如果使用这种方法，我们必须指定所有属性（例如，to、amount 和 nonce）及其各自的类型（如，address、uint256 和 uint256），还有该应用的一些基本信息，称为域（domain）。

域包含应用名称、版本、链 ID、你正在交互的合约和盐值（salt）等信息。合约应该验证这些信息，从而确保同一个签名不能在不同的应用上使用。这样可以解决上文提到的重放攻击问题。

上图所示消息的具体定义如下：

-来源-

如你所见，这个消息在 MetaMask 上是可见的，我们可以确认我们正在签署的消息就是我们想要执行的。EIP 712 实行 EIP 191，因此数据将以 0x1901 开头：0x19 是前缀，0x01 是版本字节，表示这是一个 EIP 712 签名。

通过 Solidity，我们可以为 Transaction 类型定义一个 struct，并编写一个函数来对交易进行哈希计算：

上述交易的数据如下所示：

上述数据由 EIP-191 字节、哈希域分隔符、哈希后的 Transaction 类型和 Transaction 输入组成。该数据会再经过一次哈希计算，并进行签署。然后，我们可以使用 ecrecover 来验证智能合约中的签名：

在下一节中，我们将详细解释 ecrecover。如果你想找一个简单的 JavaScript 或 TypeScript 代码库来来实现 EIP 712，请查看这个库：

https://github.com/Mrtenz/eip-712

如果你想详细了解如何在智能合约中实现 EIP 712，我建议你阅读 MetaMask 的这篇文章。遗憾的是，EIP 712 规范目前还是草案，还没有得到很多应用的支持。目前，Ledger 和 Trezor 都还没支持 EIP 712，可能会阻碍该规范的广泛采用。不过，Ledger 表示他们即将发布的更新版会支持 EIP 712。

消息签名更有趣的地方在于，我们可以使用智能合约来验证 ECDSA 签名。Solidity 有一个内置函数叫做 ecrecover（这实际上是地址 0x1 上的预编译合约），可以恢复用来签署消息的私钥的地址。一个（非常）基本的合约实现如下所示：

该合约仅用于验证签名，本身没有任何用处，因为签名验证也可以在没有智能合约的情况下完成。

这种方式的用处在于，用户可以通过免信任方式向智能合约发送某些指令，而无需发送交易。例如，用户可以签署一条消息：“请从我的地址向该地址发送 1 个以太币。” 智能合约可以使用 EIP-712 和/或 EIP-1077 标准来验证签名者并执行该指令。智能合约中的签名验证可用于以下应用：

但是，如果你想通过正在使用的智能合约钱包签署消息怎么办？我们显然不能让钱包智能合约访问私钥对吧。ERC 1271 提议了一个标准，可以让智能合约验证其它智能合约的签名。其规范非常简单：

合约必须实现 isValidSignature 函数，该函数可以像上述合约那样运行任意函数。如果签名确实是与合约对应的，则函数返回 MAGICVALUE。这样一来，只要是实现了 ERC 1271 的合约，任何合约都可以验证其签名。从内部来说，实现 ERC 1271 的合约可以让多名用户签署同一个消息（例如，在多签合约的情况下），并将哈希值存储在内部。然后，该合约可以验证提供给 isValidSignature 函数的哈希值是否在内部签署，且签名是否对合约所有者之一有效。

对于区块链和去中心化来说，签名非常重要。签名不仅可以用来发送交易，还可以用来与去中心化交易所、多签合约和其它智能合约进行交互。目前还没有明确的消息签名标准，进一步采用 EIP 712 规范有助于生态系统改善用户体验，并为消息签名制定标准。

（完）

原文链接: https://medium.com/mycrypto/the-magic-of-digital-signatures-on-ethereum-98fe184dc9c7作者: Maarten Zuidhoorn翻译&校对: 闵敏 & 阿剑

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编译者/作者：以太坊爱好者

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