數字簽名：加密安全機制

數位簽名是一種用於確保數位資料的真實性與完整性的加密解決方案。它可以被視為比傳統手寫簽名更複雜且更安全的版本。簡而言之，數位簽名是一段附加在文件上的代碼，用以證明資料在傳送途中未被篡改。簽名就像是每個特定訊息的獨一無二的數位證明。

簽名的本質與加密背景

數位形式的簽名與紙本簽名有顯著差異。手寫簽名常常在多份文件中相似，而數位簽名則是每個訊息獨一無二的。將簽名概念應用於數位環境，解決了一個複雜問題：如何證明資料的發送者確實是聲稱的那個人，以及訊息在傳送途中未被修改？

雖然加密技術的歷史可以追溯到古代，但數位簽名方案直到1970年代才成為現實。這得益於公開金鑰加密（PKC）的發展。自此以後，簽名在網路安全與資料驗證領域變得越來越重要。

雜湊函數：基礎建設

雜湊是數位簽名系統的核心構件之一。它將任意長度的資料轉換成固定長度的輸出。這由專門的演算法——雜湊函數完成。

由雜湊函數產生的輸出稱為雜湊值或訊息摘要。結合多個加密雜湊函數，可以產生獨一無二的數位「指紋」。即使輸入資料只改變一點點，輸出也會完全不同。因此，雜湊函數在驗證資料真實性方面扮演重要角色。在簽名的情境中，它確保任何微小的變動都會使簽名失效。

公開金鑰加密：雙鍵系統

公開金鑰加密（PKC）是一種使用一對密鑰的加密系統：公開金鑰與私密金鑰。這兩個密鑰在數學上相關聯，能用來安全地加密資料與簽署訊息。

PKC比傳統的對稱加密更安全。傳統系統使用同一個密鑰進行加密與解密，而PKC則允許用公開金鑰加密，私密金鑰解密，形成一個安全的非對稱體系。

PKC也用於數位簽名。基本流程是：先用私密金鑰對訊息的雜湊值進行簽署，形成簽名。接收者則用簽署者的公開金鑰驗證簽名的有效性。值得注意的是，數位簽名並不一定是加密的。例如，比特幣區塊鏈使用PKC與簽名，但不進行資料加密，採用的是橢圓曲線數位簽名演算法（ECDSA）。

數位簽名的運作流程：三個關鍵階段

在加密貨幣與其他應用中，數位簽名系統通常包含三個主要步驟：雜湊、簽署與驗證。這些步驟緊密相連，形成一個可信的整體。

資料雜湊

第一步是對訊息或數位資料進行雜湊，產生雜湊值（訊息摘要）。不同的資料經過雜湊後，雖然內容不同，但產生的雜湊值長度相同。這是雜湊函數的重要特性。

技術上，資料雜湊並非簽名的必要步驟——可以直接用私密金鑰簽署未雜湊的資料。但在加密貨幣中，資料總是先雜湊，因為固定長度的摘要能提升效率。

簽署與加密

資料雜湊完成後，簽署者用私密金鑰對雜湊值進行簽署，產生簽名。這個簽名就像是該訊息的數位指紋。接收者用簽署者的公開金鑰驗證簽名的正確性。

一個重要點是：若簽署時未用私密金鑰，接收者就無法用公開金鑰驗證簽名的有效性。簽署者會產生一對金鑰（公開與私密），但只傳送公開金鑰給接收者。這個非對稱性是安全的基礎。

此外，數位簽名與訊息內容密切相關。與手寫簽名不同，每個數位簽名都與特定訊息綁定，不能重用。

簽名驗證：Alice與Bob的範例

假設Alice傳送訊息給Bob。她先對訊息進行雜湊，然後用私密金鑰簽署雜湊值，產生數位簽名。這個簽名就像是該訊息的獨特數位證明。

當Bob收到訊息時，他用Alice的公開金鑰驗證簽名。若驗證成功，代表訊息確實來自Alice，且在傳送途中未被篡改。因為只有Alice的私密金鑰能產生有效簽名（假設私密金鑰未洩漏）。

對Alice來說，保密私密金鑰至關重要。若私密金鑰外洩，任何人都能冒充她簽署訊息，甚至用來轉移資產，這在比特幣中意味著有人可以用她的私密金鑰轉移資金。私密金鑰的安全是系統的核心。

數位簽名的實務應用與重要性

數位簽名主要用於三個目的：

資料完整性

Bob可以確認訊息未被篡改。任何微小的變動都會導致簽名驗證失敗，揭露資料被操控。

真實性

只要私密金鑰由簽署者掌握，接收者就能用公開金鑰證明簽名來自該人，確保訊息來源。

不可否認性

簽名一旦產生，簽署者就不能否認自己簽署過（除非私密金鑰被竊取）。這在法律上具有約束力。

數位簽名的行業應用

數位簽名廣泛應用於各種數位文件與證書，包括：

• 資訊科技：提升網路通訊安全與資料傳輸的可靠性。
• 金融：用於審計、報表、貸款合約與財務文件的簽署。
• 法律：電子合約、法律文件與政府公文的數位簽署。
• 醫療：確保處方與醫療記錄的真實性，避免偽造。
• 區塊鏈與加密貨幣：確保交易由合法持有人簽署，保障資金安全。

系統限制與挑戰

數位簽名方案面臨的主要挑戰包括三個方面：

演算法的安全性

所用演算法的強度決定整體安全。必須選用可信的雜湊函數與加密演算法。弱算法會成為攻擊的突破口。

實作與應用

即使演算法再強，如果實作不當，也會導致系統脆弱。實務上的安全措施與正確實作同樣重要。

私密金鑰的保密

私密金鑰若洩漏，則無法保證簽名的不可否認性與驗證的可靠性。私密金鑰的安全存放對於加密貨幣用戶尤為關鍵，若遺失則可能造成資產損失。

電子簽名與數位簽名：差異何在

簡單來說，數位簽名是電子簽名的一種子集。所有數位簽名都是電子簽名，但反之則不一定。

主要差異在於驗證方式。數位簽名使用加密技術（雜湊、公開金鑰、加密），而電子簽名可能採用其他驗證方法。

總結

雜湊函數與公開金鑰加密是數位簽名系統的基礎，廣泛應用於各行各業。正確運用能大幅提升資料安全性、確保資料完整性與驗證資料來源。在區塊鏈與加密貨幣領域，簽名用於交易的簽署與授權。比特幣等系統高度依賴數位簽名的安全性，確保只有持有正確私密金鑰的人才能轉移資產。

雖然數位簽名技術已使用多年，但仍有很大的發展空間。當前許多行政流程仍依賴紙本，但隨著數位化推進，數位簽名的應用將持續擴展，未來將逐步整合進所有數位平台，帶來更佳的安全性與效率。