区块链基础知识 —— 交易的签名与验证过程（无数学公式）

余_弦
7 阅读4分钟

想象一下，Alice 想给 Bob 发送一条加密的消息，并且Bob需要能证明这条消息确实来自Alice，且在传输途中没有被篡改。

一、核心角色（类比）

  • 私钥 (Private Key)：就像Alice的独一无二的印章。这个印章只有Alice自己拥有，她可以用它在任何文件上盖章。
  • 公钥 (Public Key)：就像Alice印章的官方验章器。Bob（以及任何人）都可以拿到这个验章器。它不能用来盖章，但可以用来检查一个章是不是Alice的那个独一无二的印章盖出来的。
  • 消息 (Message)：就是Alice要发送的那条交易信息，比如“我从地址A转1个BTC到地址B”。

二、签名过程 (Alice做的事)

Alice想要发送消息 “我从地址A转1个BTC到地址B”。

  1. 制作文件摘要：Alice不是直接对整条冗长的消息盖章，而是先让消息通过一个魔法碎纸机（哈希函数）。这个碎纸机会把任何长度的文件都粉碎成一串长度固定、且独一无二的“摘要”（就像指纹一样）。哪怕消息只改了一个标点符号，出来的摘要也会完全不同。

    • 输入： “我从地址A转1个BTC到地址B”
    • 输出（示例）：x12aF...8c3d (这个就是哈希值)

  2. 用私钥盖章：Alice然后拿出她的私钥印章，在这个摘要 (x12aF...8c3d) 上盖了一个章。这个盖章的动作（签名算法）会产生一个独特的、基于这份摘要和她的私钥的签名。

  3. 发送：Alice把原始消息（“我从地址A转1个BTC到地址B”）和生成的签名一起发送给网络。她不需要发送她的私钥，也不需要发送摘要。

三、验证过程 (网络上的每个人做的事)

Bob和其他网络节点收到了Alice的消息和签名。他们需要验证这是真的。

  1. 使用相同的魔法碎纸机：Bob将收到的原始消息（“我从地址A转1个BTC到地址B”）放入同一个魔法碎纸机（哈希函数）。他自己计算出了一份摘要。我们称这个为 摘要_B。

    • 输入： “我从地址A转1个BTC到地址B”
    • 输出：x12aF...8c3d (如果消息没被改过，这个值应该和Alice当初计算的一样)

  2. 使用验章器：Bob现在拿出Alice公开的验章器（公钥）。他把这个验章器、收到的签名、以及他自己算出的摘要_B (x12aF...8c3d) 放在一起验证。

  3. 得出验证结果：

    • 验证通过 (✅)：如果验章器显示“匹配”，那就意味着： a. 这条消息的摘要 (摘要_B) 确实和Alice当初签名时用的摘要一致 -> 消息未被篡改。 b. 这个签名确实是由Alice的私钥印章盖的 -> 身份真实有效。
    • 验证失败 (❌)：如果验章器显示“不匹配”，则说明要么消息被篡改了，要么签名是伪造的，整个交易会被网络拒绝。

图示

sequenceDiagram
    participant A as Alice
    participant N as 网络/验证者(Bob等)

    Note over A: 签名过程
    A ->> A: 对原始消息进行哈希运算<br/>生成消息摘要
    A ->> A: 使用私钥对摘要进行签名<br/>生成数字签名
    A ->> N: 发送【原始消息 + 数字签名】

    Note over N: 验证过程
    N ->> N: 对收到的【原始消息】<br/>进行同样的哈希运算，<br/>得到【摘要_B】
    N ->> N: 使用Alice的公钥<br/>对【数字签名】进行验证，<br/>并对比【摘要_B】
    
    alt 验证成功
        N -->> N: ✅ 验证通过<br/>消息完整且身份真实
    else 验证失败
        N -->> N: ❌ 验证失败<br/>消息被篡改或签名伪造
    end

总结与关键点

步骤Alice（签名者）网络（验证者）
1. 哈希用哈希函数处理原始消息，得到摘要。用相同的哈希函数处理收到的原始消息，得到自己的摘要_B。
2. 加密/验证用私钥对摘要进行“盖章”（签名），得到签名。用Alice的公钥去验证收到的签名和摘要_B是否匹配。
3. 发送/接收发送原始消息 + 签名。接收并验证。根据结果接受或拒绝交易。

为什么这个过程安全？

  1. 私钥永不泄露：Alice的私钥（印章）从未被发送或暴露。签名只是证明她拥有私钥，而不透露私钥本身。
  2. 完整性：任何对消息的修改，哪怕只有一个字符，都会导致哈希值（摘要）彻底改变，从而使验证失败。
  3. 身份认证：只有私钥的持有者才能产生出能被对应公钥验证的签名。
  4. 不可否认：既然只有Alice能生成这个有效的签名，她就无法事后否认自己发过这条消息。

这就是数字签名的工作原理——它巧妙地利用了哈希函数的敏感性和非对称加密的身份绑定能力，共同构成了区块链信任的基石。

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