5.6 签名和多重签名
前言
随着区块链等相关技术的创新和突破，很多有形或无形资产都将实现去中心化，数字资产将无处不在。比如我们这里分享的 亿书 就是要把数字出版物版权进行保护，实现去中心化，解决业界多年来版权保护不力的难题。
无论数字资产，还是数字出版版权，都是有明确所有权的，当前实现数字资产所属的技术手段就是本篇要介绍的签名。而多重签名是对签名的扩展使用，给数字资产转移提供了安全保障和技术手段。本篇，从基本概念入手，详细了解签名和多重签名的作用和代码实现。
源码
主要源码地址：
signatures.js https://github.com/Ebookcoin/ebookcoin/blob/v0.1.3/modules/signatures.js
multisignatures.js https://github.com/Ebookcoin/ebookcoin/blob/v0.1.3/modules/multisignatures.js
解读
签名
（1）签名的作用和特点
名字的解释。签名是什么？有人第一反应是日常生活中的用笔签名，那么你的直觉是对的。不过，当很多小伙伴看到网上的解释，却又迷惑了，似乎与我们所知的签名相去甚远，事实上不同概念在不同领域的表述是有差别的，但本质相同。我坚信生活是一切创作的源泉，任何一个概念都能从生活中找到原型，这里的“签名”也是如此。
签名的作用。日常生活中，凡是需要确认归属的（是签名人的，不是其他的），都需要所有者进行签名。比如，我签名了一份文件，出了问题，责任我负，我签名了一个支票，就代表将由我支付。我们普通老百姓最常见的场景，就是去银行办业务，银行职员会让你反复签一大堆的单据，想必每个人都会有深刻的印象。
签名的特点。人的笔迹是很个性化的，越熟练的字体，个性特征越固定，因此一个人的名字，不同的人写出完全相同笔迹的概率非常小，即便是专业模仿也可以通过技术鉴别出来，这样一来，人的签名就具有唯一性、可验证的特点，并被法律认可。
签名的验证。如果，你拿着一张支票去银行兑换，银行职员会对支票上的签名和印章仔细比对，确保印章大小、样式，以及付款人签名等，与银行留存的信息一致，才会给你兑付，这就是签名验证。
（2）比特币客户端签名功能
数字资产需要签名。类比人类签名，比特币也有签名功能。如果了解比特币钱包（客户端软件），就会发现它提供了一个签名消息的功能，可以用来对其他用户通过比特币网络之外的信息进行签名和验证。我个人使用的是 比特币官方网站 提供的比太钱包，如图：
这个功能干什么用的呢？有好多小伙伴不清楚，这里举个简单的例子解释一下，具体使用的时候绝不限于这些应用。
Alice开了一个网店，但没有直接接入比特币网络，不能自动确认和验证支付者。客户Imfly购买了她的产品，并用比特币支付了全部货款。因为比特币地址和交易都是公开匿名的，为了防止冒充冒领，Alice需要确认Imfly提供的那个付款地址确实是imfly本人的，否则不能发货。这时候，就需要Imfly先把支付货款的比特币地址和相关交易签名信息（如图），然后通过QQ或邮件传给Alice，Alice使用客户端验证信息签名，才能确认交易确实是Imfly的。
想象一下，如果没有签名功能会怎么样呢？因为比特币仅是一个匿名、安全的支付手段，但却无法确认支付方或收款方是谁，信息的不确定性，将使得比特币网络之外的交易无法达成。在中心化的世界里，这个问题是通过运营平台这个第三方达成的，比如支付宝等，双方的全部信息，平台都掌握，任何一方出现欺诈，都需要通过向平台投诉来解决。用户需要对第三方平台绝对信任，并通过牺牲个人信息安全获得交易的基本保障。
（3）电子签名
通过上述分析，可以理解的是，签名的作用是确定资产所属，其特征是简单、安全、可验证。把这个概念抽象出来，应用到计算机系统里，为了确定数字资产所属，也需要进行签名，这就是大家经常看到的“电子签名”的概念。在网络世界里，签名可以对任何需要确认的数字资产进行处理，比如比特币地址、电子书版权等，并以此来宣告重要资产的所属，这让无需监管的去中心化交易成为可能。
具体开发设计中，就是用加密技术代替人的笔迹，不然任何签名方法都会被模仿，而且模仿的成本极低，相反，验证的成本却很高。这也是当前数字出版行业版权保护不力的原因之一，各大平台仅仅通过用户权限来限制用户使用数字出版物，并没有对出版物本身采取数字签名等加密措施，一旦被盗版，验证和取证工作耗费很多人力物力。具体的加密或验证技术，请参考前面的章节。
亿书也具备签名能力，只不过，目前没有单独提供签名信息的操作供用户使用，而是通过签名，添加了支付密码功能，对用户帐号资产追加了一层保护。后续还会扩展更多的功能，对用户发布的任何数字出版物自动追加电子签名或电子印章，并保存到区块链。
（4）亿书的支付密码
签名方法在modules/signatures.js文件里，类图如下：
我们还是从Api开始，代码如下：
// modules/signatures.js文件
// 179行
router.map(shared, {
"get /fee": "getFee",
"put /": "addSignature"
});
// 188行
library.network.app.use('/api/signatures', router);
通过上面的代码，可以了解签名提供了两个简单的公共接口：
get /api/signatures/fee -> shared.getFee
put /api/signatures/ -> shared.addSignature //签名操作
显然，最核心的方法也就是shared.addSignature，代码：
// 215行
shared.addSignature = function (req, cb) {
...
library.scheme.validate(body, {
properties: {
...
},
required: ["secret", "secondSecret"]
}, function (err) {
...
library.balancesSequence.add(function (cb) {
if (body.multisigAccountPublicKey && body.multisigAccountPublicKey != keypair.publicKey.toString('hex')) {
modules.accounts.getAccount({publicKey: body.multisigAccountPublicKey}, function (err, account) {
...
try {
var transaction = library.logic.transaction.create({
type: TransactionTypes.SIGNATURE, // 297行
sender: account,
keypair: keypair,
requester: keypair,
secondKeypair: secondKeypair,
});
} catch (e) {
return cb(e.toString());
}
...
}
毫无疑问，支付密码也是一个简单的交易（交易类型TransactionTypes.SIGNATURE，见297行）。基于此，我们不难想象，添加类似比特币的签名功能也是件非常简单的事情，我们会在亿书下一个版本里添加这项功能，具体请关注 亿书币版本库 最新进展。
多重签名
上面我们提到，比特币的匿名性，使交易处于不可信之中，最终导致用户不敢交易。有了签名功能，就有了确认双方信息的有效手段，问题总算有了解决方案。聪明的小伙伴会发现，签名和验证过程除了繁琐，并没有让我们觉得比使用第三方平台更有效、更安全。有没有更好的解决方案呢？回答是：有，那就是多重签名。
（1）基本概念
多重签名，可以简单的理解为一个数字资产的多个签名。签名标定的是数字资产所属和权限，多重签名预示着数字资产可由多人支配和管理。在加密货币领域，如果要动用一个加密货币地址的资金，通常需要该地址的所有人使用他的私钥（由用户专属保护）进行签名。那么，多重签名，就是动用这笔资金需要多个私钥签名，通常这笔资金或数字资产会保存在一个多重签名的地址或帐号里（就比特币而言，多重签名地址通常以3开头）。这就好比，我们工作中有一份文件，需要多个部门签署才能生效一样。
在实际的操作过程中，一个多重签名地址可以关联n个私钥，在需要转账等操作时，只要其中的m个私钥签名就可以把资金转移了，其中m要小于等于n，也就是说m/n小于1，可以是2/3, 3/5等等，是要在建立这个多重签名地址的时候确定好的。
（2）工作原理
数字资产在某种情况下，需要多人支配。换句话说，在某些特定条件下，数字资产如果无法确认归属某个特定的人，那么最好让相关人共同签署它的所有权。
仍然举上面的例子，在Alice发货之后，Imfly收到货之前，这笔钱应该由第三方信用比较高的中介暂时保存，这个阶段，这笔钱要么是Alice的，要么是Imfly的，最终的归属要看Imfly是否收到货。所以，这个第三方，无论如何都是应该有的，不然Imfly就要承担大部分风险（因为比特币的单向不可逆，Imfly发送之后就没有办法收回了）
这样一来，这笔钱的所属关系，在交易过程中涉及到Alice、Imfly和平台第三方（虽然不属于它，但它有权裁定资金去向），那么就应该由他们三方签名，因此网上购物就是典型的多重签名的例子。其多重签名模型就是2/3，也就是说只要他们中的两个签名，资金就可以被转移。
具体到这个例子，Imfly把钱打给一个关联三方私钥的多重签名地址，如果整个交易过程顺利，只要Alice和Imfly两个签名，这笔钱就会顺利到达Alice手里。如果不顺利，他们任何一人提出仲裁，平台第三方调查之后，通过签名就能把这笔钱转给Alice或退回Imfly。这非常类似淘宝和京东的模式，但是比他们更加便捷和安全，至少不用担心第三方倒闭、挪用资金或携款跑路。
（3）应用场景
很显然，多重签名给了加密货币腾飞的翅膀，让它单一单项支付的能力更具吸引力，让加密货币技术应用到各行各业成为可能。这里简单的罗列几个应用场景，供探索和思考：
电子商务。比较常见的是2/3的模式。上面电子商务网站的例子，就是最典型的场景之一，目前已经有成功的案例了。延伸一下，这类应用本质就是中介，所以还可用在各类中介机构性质的服务上。
财产分割。比如夫妻双方共有财产，可以使用1/2的模式，一个账户谁都可以使用，跟各自拥有帐号一样，好处是系统忠实记录了每个人的花销，闹掰的时候很容易清算。扩展到公司合伙经营，可以使用1/n模式，n个人合伙人，都可以直接支配共有资金，具体清算时，一目了然。
资金监管。其实，这是多重签名的最直接作用，一笔钱需要多个人签名才能使用，任何一个人都无法直接动用资金，这在生活中太常见了，只要灵活设置多重签名的比重模式，就能解决生活中很多问题。比如，接着上面夫妻的例子，夫妻要储备一笔资金，供孩子上大学使用，在这之前谁都不能动，那么把模式改为2/2，不仅限制了夫妻双方，也给黑客攻击增加了难度。
多重签名的设计，让各种业务去中心化充满无限可能。
（4）亿书的多重签名
多重签名方法在modules/multisignatures.js文件里，类图如下：
实现Api的代码如下：
// 318行
router.map(shared, {
"get /pending": "pending", // Get pending transactions
"post /sign": "sign", // Sign transaction
"put /": "addMultisignature", // Add multisignature
"get /accounts": "getAccounts"
});
// 329行
library.network.app.use('/api/multisignatures', router);
解析一下，最后产生的Api如下：
get /api/multisignatures/pending -> shared.pending // 查询等待中的交易
post /api/multisignatures/sign -> shared.sign // 签名交易
put /api/multisignatures/ -> shared.addMultisignature // 创建多重签名帐号
get /api/multisignatures/accounts -> shared.getAccounts // 获得关联的帐号（对应者用户私钥）
提供的功能很显然，包括：待交易查询、关联帐号列表查询，用户签名交易，创建多重签名帐号等4个核心功能。我们先从创建多重签名帐号开始，这个Api使用的是http的put方法，对应的自然是更新操作，不查看代码也可以猜想到，该功能应该是在已有帐号基础上的操作，从客户端钱包设置菜单里，可以看到如图操作：
看看shared.addMultisignature的源代码如下：
// modules/multisignatures.js文件
shared.addMultisignature = function (req, cb) {
var body = req.body;
library.scheme.validate(body, {
...
// 732行
required: ['min', 'lifetime', 'keysgroup', 'secret']
}, function (err) {
...
library.balancesSequence.add(function (cb) {
modules.accounts.getAccount({publicKey: keypair.publicKey.toString('hex')}, function (err, account) {
...
// 767行
try {
var transaction = library.logic.transaction.create({
type: TransactionTypes.MULTI, // 769行
sender: account,
keypair: keypair,
secondKeypair: secondKeypair,
min: body.min,
keysgroup: body.keysgroup,
lifetime: body.lifetime
});
} catch (e) {
return cb(e.toString());
}
...
};
从732行可知，创建一个多重签名，必须'min', 'lifetime', 'keysgroup', 'secret'这四参数（其实，一个默认参数就是当前帐号），min代表上面讲到的m值，即需要确认的人数;lifetime代表生命周期;keysgroup包含多重签名关联的全部帐号，它是数组类型，包含的元素个数就是n，secret是用户密码，与用户私钥对应。
经过一系列的验证之后，作为一个交易（交易类型TransactionTypes.MULTI，769行）保存到数据库(区块链)里。创建成功的帐号，可以显示多重帐号菜单，对交易进行操作。接下来，自然应该能够查看全部关联的帐号（请看shared.getAccounts方法），查看待确认的交易（请看shared.pending方法），这两个方法仅仅是简单的查询，没什么难度，这里不再浪费篇幅。
如果用户同意交易，就可以对待确认的交易进行签名（shared.sign方法），这个方法的源码如下：
// 586行
shared.sign = function (req, cb) {
var body = req.body;
library.scheme.validate(body, {
...
required: ['transactionId', 'secret']
}, function (err) {
...
// 632行
function done(cb) {
library.balancesSequence.add(function (cb) {
// 634行
var transaction = modules.transactions.getUnconfirmedTransaction(body.transactionId);
if (!transaction) {
return cb("Transaction not found");
}
// 640行
transaction.signatures = transaction.signatures || [];
transaction.signatures.push(sign);
library.bus.message('signature', {
signature: sign,
transaction: transaction.id
}, true);
cb();
}, function (err) {
if (err) {
return cb(err.toString());
}
cb(null, {transactionId: transaction.id});
});
}
...
};
这个方法，相比单独的签名方法，不同的是单独的签名方法相当于一个新建交易，而这里的多重签名的用户签名，显然仅仅是对未确认交易（634行）进行签名确认（640行维护了一个签名数组，641行的push方法把用户签名写入数组）。而且，相比独立签名，验证也更复杂，我们将在下一篇《交易》一文中集中讨论验证问题。您也可以结合下一篇的内容，阅读和理解这里的签名方法。
总结
在加密货币里，每一个交易都涉及到使用私钥签名，用于确认每笔资金所有人。确定了所有人，自然就确定了资金转移的条件、目标和方向，就为我们下一步进行资金转移操作奠定了基础。很自然的，该研究一下亿书的交易了，请看下一篇：《交易》。
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