如何多人守護一份數字契約？解析多方門限簽名的妙用

數字簽名是否只能由單一主體簽署？在涉及多方授權的場景中，如何實現多方聯合簽名？多方聯合簽名是否支持決策權重分配？其背後的門限簽名技術除了支持多方授權功能之外，還有哪些神奇之處？

在倡導價值流通、價值融合的數字化經濟中，多方合作無處不在。此過程中籤訂的數字契約，難免遇到需要在多個參與方之間 分配獨立決策權重 的場景，然後對於一個擬定的決策目標，只有滿足一定數量協作方同時授權才能生效。

一個典型的示例是基金會區塊鏈資金賬戶管理。

該賬戶的資金由多個參與方共有，因此其賬戶私鑰一般不應由單一主體保管，以避免權利過於集中，出現肆意操作資金的風險。另一方面，如果出現唯一的私鑰丟失，則資金可能永久性丟失，潛在風險巨大。

如何以一種公平有效的方式，讓多個參與方共同掌控賬戶資金，是一個十分現實的需求。

經典數字簽名技術，由於只能由 單一主體來掌控私鑰 ，所以無法直接用以解決上述問題。爲此，我們需要引入門限簽名技術。門限簽名究竟是如何實現公平有效的多方授權機制？可以支持哪些具體的應用場景？本文將進行專題解析。

門限簽名的協作性

在協作中實現有效多方授權的關鍵在於『分權機制』，對應的機制在中國古已有之。

“虎符”就是一個典型的見證。作爲調兵遣將用的兵符，虎符是一種伏虎形狀的令牌，一般由青銅或者黃金製成，製成後，劈爲兩半，分別交由將帥和皇帝保管。只有集齊對應的兩個虎符，無縫合併成完整的伏虎形態，持符者纔有權調兵遣將。

虎符生效所需的最小數量其實就對應到了密碼學中的術語—— 門限值 ，只有達到了門限值的授權數量，授權才生效。

門限簽名是門限密碼學（參見第13論）中的一個重要分支，從構造上來看，門限簽名可以看作數字簽名和祕密分享的結合體。

對於一個 (t, n)門限簽名 算法，其典型的使用過程如下：

在一個由n個參與方組成的羣體中，羣體中各參與方通過一定方法獲得相應的 簽名私鑰分片 ，羣體中至少有t方使用各自的簽名私鑰分片對同一份數據進行簽名，產生 簽名分片 ，然後將各方簽名分片合併，才能產生最終有效的簽名。其中，t爲門限值，當簽名方的個數小於t時，無法產生有效的簽名。

門限簽名在諸多分佈式協作場景中均有應用，以下從兩個典型場景來展示其效果。

針對其賬戶資金權需要由多方共同授權才能動用的需求，可以使用門限簽名來解決其中的業務痛點：

針對其多數獨立決策方同意才能通過決議的需求，利用門限簽名可以容易地實現這種規則效果。

假定投票決議通過的條件是獲得多於50%同意，則可以設置門限值爲t > n/2。由此，只有當某個決議項收集了至少t個決策方的簽名時，才能針對該決議項生成有效的簽名，進而通過該項決議。

同時，正如基金會區塊鏈資金賬戶所有展示的身份隱匿特性，所有決策方的身份都受到匿名保護，可以安心獨立地完成做出符合自身意願的決策。

對於不同決策方擁有不同權重的投票決議過程，門限簽名也可以輕易支持。

簡單設計是按權重分配不同數量的私鑰給對應決策方，這樣各個決策方能產生不同個數的簽名分片，體現其分佈式協作中的權重分配。高階設計可以採用帶權重的門限簽名方案，即參與方均是一個私鑰，但產生的簽名自帶權重。

門限簽名的構造和使用相對比較直白，但也有其特別的注意事項。

門限簽名的構造方式很多，算法變種也不少，選型時可能會帶來一定的困惑。

首先，我們需要區分一類與門限簽名功能類似的簽名技術，即 多重簽名技術 。其實現機制是讓多個參與方進行多次簽名操作，最終生成多個簽名，但不能對這些簽名進行合併，驗證時需要按各個參與方的簽名公鑰依次驗證。

多重簽名與門限簽名的具體區別如下圖所示：

目前比較常見的門限簽名算法有，基於RSA的Shoup門限簽名方案、基於Elgamal 的Harn 門限簽名方案、基於ECDSA的門限簽名方案，以及基於BLS的門限簽名方案。

從綜合性能方面考量，比較推薦使用 基於ECDSA的門限簽名方案和基於BLS的門限簽名方案 ，目前其簽名效率均可以達到毫秒級。

回到公私鑰對的初始化指標，門限簽名需要一個協商過程才能完成初始化。如何安全地進行初始化，讓各個參與方獲得自身的私鑰分片，是保障門限簽名有效性的關鍵。

根據這一初始化過程中，是否需要引入可信第三方，門限簽名可以分成以下兩個大類：

中心化門限簽名：由可信第三方生成所有簽名方的私鑰分片，然後進行私鑰分片分發，最後各簽名方使用私鑰分片進行簽名。簽名方之間不需要進行私鑰分片生成過程中的數據交互。
分佈式門限簽名：不需要引入可信第三方，簽名方可以通過交互進行相關參數的協商，完成各自私鑰分片的生成過程。獲得私鑰分片後，簽名方使用其進行簽名。