web3 必知的数字签名技术——门限签名详细解析

一、简介

门限签名（Threshold Signature）是一种特殊的数字签名技术，它将传统的单个私钥签名权利分散到多个参与者手中，只有当至少 t 个参与者（t <= n）共同协作时，才能生成有效的签名。

门限签名是多方计算(MPC)和密码学的一个重要应用，具有以下核心特性：

1. 分布式生成：签名由多方共同生成，没有单一的签名密钥持有者
2. 门限控制：只需 n 个参与者中的 k 个(t≤n)合作即可生成有效签名
3. 安全性：少于k个参与者无法生成有效签名，也无法获取完整的签名密钥

二、核心原理

门限签名通常基于Shamir秘密共享(SSS)或更复杂的密码学方案构建：

1. 密钥生成阶段

使用分布式密钥生成(DKG)协议：

• 每个参与者生成自己的私钥份额
• 通过协议计算对应的公钥
• 确保没有任何单一参与者知道完整私钥

2. 签名阶段

当需要签名时，至少 t 个参与者：

• 各自使用自己的私钥份额生成部分签名
• 通过特定算法组合这些部分签名
• 生成一个标准的、可验证的签名

数学基础

通常基于多项式秘密共享（如 Shamir's Secret Sharing）或椭圆曲线密码学，确保：

• 少于 t 个参与者无法获取任何关于私钥的信息；
• 签名验证过程与传统签名完全相同，无需额外信息。

关键特性

安全性分析

• 抗单点故障：不依赖单一密钥持有者
• 灵活性：可调整门限值k
• 前向安全：即使部分份额泄露，不影响整体安全

三、应用场景

1. 加密货币钱包与资产托管

• 场景需求：

  • 多方共同控制资产，需满足阈值（如 2-of-3）才能转账，防止单点私钥泄露。

• 案例：

  • 机构级钱包（如 Fireblocks、BitGo）：使用门限签名，私钥分片存储在多个地理位置的服务器，需多数服务器协作才能签名；
  • 企业财务控制：公司资金需 CEO、CFO 和财务总监三方中至少两方同意才能动用。

2. 区块链共识机制

• 场景需求：

  • 在 PoS（权益证明）或联盟链中，验证节点通过门限签名共同生成区块，降低单一节点被攻击的风险。

• 案例：

  • Cosmos：使用 Tendermint 共识，验证者通过门限签名达成区块共识；
  • Tezos：Baker 节点通过门限签名集体签署区块，提高链安全性。

3. 跨链桥与资产跨链转移

• 场景需求：

  • 跨链桥的签名者（Guardians）需共同控制资产锁定 / 释放，避免单一签名者作恶。

• 案例：

  • Wormhole：升级后门限签名架构，需多数 Guardians 协作才能转移资产；
  • Multichain：使用门限签名技术实现跨链交易的安全性。

4. 隐私保护与匿名交易

• 场景需求：

  • 在隐私币或隐私协议中，门限签名可用于生成匿名交易所需的签名，同时保护用户身份。

• 案例：

  • Zcash：研究将门限签名与零知识证明结合，增强交易隐私性；
  • Tornado Cash：使用门限签名技术管理隐私池的资金进出。

5. 分布式密钥管理系统

• 场景需求：

  • 云服务、物联网等分布式系统中，敏感密钥通过门限机制管理，避免单点泄露。

• 案例：

  • AWS KMS：支持门限签名的密钥管理服务，需多个管理员协作才能访问敏感密钥；
  • 智能电网：电力设备的控制密钥通过门限签名分散到多个服务器，防止设备被物理篡改后私钥泄露。

四、主流门限签名方案

1. GG18/GG20 协议

   • 特点：基于 ECDSA 算法，两轮通信即可完成签名，广泛用于区块链钱包和跨链桥。
   • 应用案例：Fireblocks、Polygon Hermez。

2. FROST 协议

   • 特点：基于 Schnorr 签名，支持动态节点加入 / 退出，减少通信轮次，安全性更高。
   • 应用案例：Blockstream 的 Liquid Network。

3. TSS（Threshold Signature Scheme）框架

   • 特点：通用门限签名框架，支持多种签名算法（ECDSA、Schnorr）。
   • 开源实现：libTSS、ZenGo X。

五、总结

门限签名通过 “分而治之” 的思想，将私钥控制权分散到多个节点，在保证安全性的同时维持了签名的简洁性和可用性。它在区块链、金融、分布式系统等领域有广泛应用前景，尤其适合需要多方协作且对安全性要求极高的场景。随着协议优化和性能提升，门限签名将成为构建可信分布式系统的核心技术之一。