數字簽名是一種用於檢查數字數據的真實性和完整性的加密機制。我們可以將其視爲傳統手寫簽名的數字版本，但具有更高級別的複雜性和安全性。
簡單來說，我們可以將數字簽名描述爲附加到消息或文檔的代碼。一旦生成，該代碼就可以證明消息在從發送者到接收者的傳輸過程中沒有被篡改。
儘管使用加密技術保護通信安全的概念自古以來就已存在，但由於公鑰加密技術 (PKC) 的發展，數字簽名系統在 20 世紀 70 年代成爲現實。因此，要了解數字簽名的工作原理，我們首先需要了解哈希函數和公鑰密碼學的基礎知識。
哈希函數
哈希是數字簽名系統的核心要素之一。散列涉及將任意大小的數據轉換爲固定大小的輸出。這是通過一種稱爲哈希函數的特殊算法來完成的。哈希函數生成的輸出稱爲哈希值或加密消息。
當與加密技術結合時，加密哈希函數可用於創建充當唯一數字指紋的哈希值（加密技術）。這意味着輸入數據（消息）的任何變化都會導致完全不同的輸出（哈希值）。這就是爲什麼加密哈希函數被廣泛用於驗證數字數據的真實性的原因。
公鑰密碼學 (PKC)
公鑰密碼術（PKC）是指使用一對密鑰的密碼系統：公鑰和私鑰。這兩個密鑰在數學上是相關的，並且都可以用於數據加密和數字簽名。
作爲一種加密工具，PKC 比更基本的對稱加密方法更安全。雖然舊系統也依賴相同的密鑰來加密和解密信息，但 PKC 允許使用公鑰加密數據並使用相應的私鑰解密數據。
此外，PKC系統還可以應用於創建數字簽名。本質上，該過程涉及使用簽名者的私鑰對消息（或數字數據）進行哈希處理。接下來，消息的接收者可以使用簽名者提供的公鑰來檢查簽名是否有效。
在某些情況下，數字簽名可能涉及加密，但並非總是如此。例如，比特幣區塊鏈使用 PKC 和數字簽名，但與普遍看法相反，該過程中沒有加密。從技術上講，比特幣採用所謂的橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）來驗證交易。
數字簽名如何工作
在加密貨幣的背景下，數字簽名系統通常包含三個基本步驟：散列、簽名和驗證。
散列數據
第一步是對數字消息或數據進行哈希處理。這是通過哈希算法發送數據以生成哈希值（即加密消息）來完成的。如前所述，消息可以具有不同的大小，但是當它們被散列時，它們的所有散列都具有相同的長度。這是哈希函數最基本的屬性。
但是，創建數字簽名不需要對數據進行哈希處理，因爲可以使用私鑰對未哈希處理的消息進行簽名。但在加密貨幣中，數據總是經過哈希處理，因爲處理固定長度的哈希值有利於整個過程。
簽名
消息經過哈希處理後，發送消息的人需要對其進行簽名。這就是公鑰密碼學發揮作用的地方。數字簽名算法有多種類型，每種算法都有自己的機制。但本質上，散列消息是用私鑰簽名的，然後消息的接收者可以使用相應的公鑰（由簽名者提供）檢查其有效性。
換句話說，如果生成簽名時不包含私鑰，則消息的接收者將無法使用相應的公鑰來驗證其有效性。公鑰和私鑰均由消息的發送者生成，但只有公鑰與接收者共享。
值得注意的是，電子簽名與每條消息的內容直接相關。因此，如果無論消息內容如何，手寫簽名都保持不變，則每條數字簽名消息都將具有不同的數字簽名。
準確性
我們舉個例子來說明一下直到最後驗證步驟的整個過程。假設 Alice 向 Bob 寫入一條消息，對該消息進行哈希處理以創建哈希碼，然後將此哈希值與她的私鑰結合起來以創建數字簽名。簽名將充當該消息的唯一數字指紋。
當Bob收到消息時，他可以使用Alice提供的公鑰來檢查數字簽名的有效性。這樣，Bob 就可以確定簽名是由 Alice 創建的，因爲只有她擁有與該公鑰對應的私鑰（至少這是我們所期望的）。
因此，Alice 保密她的私鑰非常重要。如果其他人獲得了Alice的私鑰，他們可以創建數字簽名並冒充Alice。在比特幣的背景下，這意味着有人可以使用愛麗絲的私鑰在未經她許可的情況下移動或花費她的比特幣。
爲什麼數字簽名很重要？
數字簽名通常用於實現數據完整性、身份驗證和反承諾。
數據的完整性。 Bob 可以驗證 Alice 的消息在發送過程中沒有被更改。消息中的任何修改都會產生完全不同的簽名。
真實性。只要Alice的私鑰保密，Bob就可以使用他的公鑰來確認數字簽名是由Alice而不是其他人創建的。
反否認。一旦創建了簽名，Alice 將無法否認她簽署了簽名，除非她的私鑰被泄露。
用例
數字簽名可以應用於許多不同類型的文檔和數字證書。因此，它們有許多應用。一些最常見的用例包括：
信息技術。增強互聯網通信系統的安全性。
金融。數字簽名可用於審計、費用報告、貸款協議等。
法律。在所有類型的商業合同和法律協議（包括政府文件）上使用數字簽名。
衛生保健。數字簽名可以防止處方和醫療記錄中的欺詐。
區塊鏈。數字簽名系統確保只有加密貨幣的合法所有者才能簽署交易以轉移資金（只要他們的私鑰不被泄露）。
限制
數字簽名系統面臨的主要挑戰至少基於三個要求：
算法。數字簽名系統中使用的算法的質量非常重要。這包括選擇可靠的哈希函數和加密系統。
部署。如果算法很好，但實現不好，數字簽名系統很可能會出現錯誤。
私鑰。如果私鑰被泄露或以某種方式受到損害，則身份驗證和不可否認屬性將失效。對於加密貨幣用戶來說，丟失私鑰可能會導致重大的財務損失。
電子簽名和數字簽名
簡而言之，電子簽名是指特定類型的電子簽名——指簽署文檔和消息的任何電子方法。因此，所有數字簽名都是電子簽名，但反之則不然。
它們之間的主要區別在於身份驗證方法。數字簽名實現加密系統，例如哈希函數、公鑰加密和加密技術。
得出結論
哈希函數和公鑰加密是數字簽名系統的核心，現已應用於廣泛的用例。如果處理得當，數字簽名可以提高安全性、確保完整性並促進所有類型數字數據的身份驗證。
在區塊鏈領域，數字簽名用於對加密貨幣交易進行簽名和授權。它們對於比特幣尤其重要，因爲簽名確保只有擁有相應私鑰的個人才能使用比特幣。
儘管我們多年來一直使用電子和數字簽名，但仍有很大的增長空間。當今的官僚機構很大一部分仍然是紙質的，但隨着我們轉向更加數字化的系統，我們可能會看到更多地採用數字簽名系統。