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解密比特币交易签名（六）核心原理深度剖析

eeo2026-02-24 17:05:41WEB320

摘要：
比特币作为点对点的电子现金系统,其安全性和可信度很大程度上依赖于密码学原理，其中交易签名机制是保障交易所有权和防篡改的核心，本文将深入探讨比特币交易签名的核心原理，揭示其如何确保只有资金所有者才能花费...

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比特币作为点对点的电子现金系统,其安全性和可信度很大程度上依赖于密码学原理，其中交易签名机制是保障交易所有权和防篡改的核心，本文将深入探讨比特币交易签名的核心原理，揭示其如何确保只有资金所有者才能花费其比特币，同时保证交易信息的完整性和不可否认性。

数字签名的基石：非对称加密

比特币交易签名的基础是非对称加密技术，也称为公钥密码学，该技术使用一对数学相关的密钥：私钥（Private Key）和公钥（Public Key）。

私钥：一串随机生成的、保密的数据，相当于数字世界的“钥匙”或“密码”，谁拥有了私钥，谁就对应比特币地址上资金的控制权，私钥必须绝对保密，一旦泄露，他人就能盗取相应地址的比特币。
公钥：由私钥通过特定的加密算法（比特币中主要使用椭圆曲线算法ECDSA，即椭圆曲线数字签名算法）计算得出，可以公开分享，公钥与私钥是一一对应的，但无法从公钥反向推导出私钥。

签名的目的：认证与完整性

在比特币网络中,每一笔交易都需要花费者进行签名，其主要目的包括：

认证（Authentication）：证明交易的发起者确实是对应比特币地址的所有者，因为只有拥有私钥的人才能生成有效的签名，而公钥可以验证该签名。
完整性（Integrity）：确保交易数据在签名后未经任何篡改，如果交易信息在签名后被修改，签名将无法通过验证，从而保证了交易内容的真实性和一致性。
不可否认性（Non-repudiation）：签名者无法否认其签名的交易，由于私钥只有签名者自己持有，他无法声称是他人伪造了其签名。

比特币交易签名的核心原理步骤

一笔比特币交易从创建到被网络确认,签名过程大致如下：

构建交易（Transaction Creation）：
- 交易发送者（花费者）创建一笔交易，明确指出要花费的UTXO（未花费的交易输出）、接收方的比特币地址以及转账金额等。
- 这笔交易数据（包括输入、输出、版本号、锁定时间等）会被序列化成一个固定的字节流，通常称为“交易哈希”或“交易ID”的候选数据（在签名前，输入中的签名脚本通常是空的或部分填充）。
生成签名（Signature Generation）：
- 花费者使用其私钥，对交易数据的一个特定哈希值进行签名，这个特定哈希值通常是经过“SIGHASH”类型标记的交易数据哈希，SIGHASH允许签名者指定交易中哪些部分被签名，从而支持部分签名、多签等复杂场景。
- 签名过程使用的算法是椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）。
  - 首先对交易数据（结合SIGHASH）进行双重SHA-256哈希运算，得到一个固定长度的哈希值（H）。
  - 然后使用私钥和这个哈希值H,通过ECDSA算法生成一个数字签名，这个签名通常由两个部分组成：r（随机数）和s（签名值），有时还会包含恢复ID（用于从签名中恢复公钥，节省空间）。
组装签名脚本（ScriptSig Construction）：
- 生成的数字签名（r, s）以及花费者的公钥会被组装成一个“签名脚本”（ScriptSig），也称为解锁脚本（Unlocking Script）。
- 这个脚本会被放置在交易输入的脚本签名字段中,表明“我用我的私钥对这笔交易进行了签名，这是我的公钥，你们可以用这个公钥来验证我的签名是否有效”。
广播交易（Transaction Broadcasting）：

带有签名脚本的交易被广播到比特币网络中,由矿工节点进行验证。
验证签名（Signature Verification）：
- 矿工或其他节点收到交易后,会进行验证：
  - 提取交易输入中的签名脚本（包含签名和公钥）。
  - 提取交易输出中的锁定脚本（ScriptPubKey），通常包含“支付给公钥哈希（P2PKH）”等条件，如 OP_DUP OP_HASH160 <公钥哈希> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG。
  - 节点会执行脚本：首先运行签名脚本（解锁脚本），将其提供的公钥和签名与交易数据（结合SIGHASH）一起，进行ECDSA验证。
  - 验证过程大致是：使用签名中的r、s和交易数据哈希H，以及提供的公钥，检查ECDSA等式是否成立，如果成立，则签名有效。
  - 然后继续执行锁定脚本,检查签名脚本提供的公钥哈希是否与锁定脚本中指定的公钥哈希匹配。
- 只有当所有脚本执行成功且返回真（TRUE）时，交易签名才被视为有效，该输入才能被合法花费。

ECDSA在签名中的关键作用

ECDSA是比特币签名算法的核心,它基于椭圆曲线数学上的离散对数难题，保证了安全性。

签名过程（私钥 -> 签名）：对于给定的私钥、随机数（k）和消息哈希H，ECDSA可以生成唯一的r和s。
验证过程（公钥 + 签名 -> 验证结果）：验证者使用公钥、r、s和H，通过ECDSA的验证公式进行计算，如果计算结果符合特定条件，则签名有效；否则无效。

由于从公钥推导出私钥,或者从已知签名和消息哈希伪造新签名，在计算上都是不可行的（在当前计算能力下），因此ECDSA提供了强大的安全性保证。

签名原理的重要性

比特币交易签名原理是其去中心化信任机制的基石,通过非对称加密和ECDSA数字签名，比特币实现了：

所有权控制：私钥即所有权，只有私钥持有者能签名交易。
交易防伪：篡改交易会导致签名验证失败。
去中心化信任：无需可信第三方，网络节点通过密码学原理自行验证交易有效性。

理解比特币交易签名的核心原理,不仅有助于我们深入把握比特币的工作机制，也能让我们更好地认识到数字资产安全的重要性，妥善保管私钥，避免因签名机制理解不足而导致的安全风险，随着比特币生态的发展，签名技术也在不断演进，如Schnorr签名的引入（Taproot升级），旨在提高隐私性和效率，但其核心的“证明所有权，授权交易”的理念始终未变。