التوقيع الرقمي هو آلية تشفير تستخدم للتحقق من صحة وسلامة البيانات الرقمية. يمكننا اعتبارها نسخة رقمية من التوقيعات المكتوبة بخط اليد العادية، ولكن بمستوى أعلى من التعقيد والأمان.
بعبارات بسيطة، يمكننا وصف التوقيع الرقمي بأنه رمز مرتبط برسالة أو مستند. بعد إنشائه، يعمل الرمز المذكور كدليل على أنه لم يتم التلاعب بالرسالة أثناء العملية التي تنقلها من المرسل إلى المتلقي.
على الرغم من أن فكرة حماية الاتصالات باستخدام التشفير تعود إلى العصور القديمة، فقد تحولت مخططات التوقيع الرقمي إلى احتمال واقعي في سبعينيات القرن الماضي—بفضل تطوير تشفير المفتاح العام (PKC). لذلك، لكي نفهم كيف تعمل التوقيعات الرقمية، نحتاج أولًا إلى فهم الأساسيات المتعلقة بدوال الهاش وتشفير المفتاح العام.
دوال الهاش
يُعد الهاشينغ أحد العناصر الرئيسية في أنظمة التوقيع الرقمي. تتضمن عملية الهاشينغ تحويل بيانات من أي حجم إلى ناتج ذي امتداد ثابت. ويتم ذلك عبر نوع من الخوارزميات الخاصة المعروفة باسم دوال الهاش. يُسمّى الناتج الناتج عن دالة الهاش قيمة الهاش أو مُلخص الرسالة (digest).
بالاشتراك مع التشفير، يمكن استخدام ما يُسمّى دوال الهاش التشفيرية لتوليد قيمة هاش (مُلخص) تعمل كأنها بصمة رقمية فريدة. وهذا يعني أن أي تغيير في بيانات الإدخال (الرسالة) سيؤدي إلى نتيجة (قيمة هاش) مختلفة تمامًا. ولهذا السبب تُستخدم دوال الهاش التشفيرية على نطاق واسع للتحقق من أصالة البيانات الرقمية.
تشفير المفتاح العام (PKC)
يشير تشفير المفتاح العام، أو PKC، إلى النظام التشفيري الذي يستخدم زوجًا من المفاتيح: مفتاحًا عامًا وآخر خاصًا. ترتبط القيمتان رياضيًا ببعضهما ويمكن استخدامهما لتشفير البيانات وكذلك للتوقيعات الرقمية.
كأداة للتشفير، يُعد PKC أكثر أمانًا من طرق التشفير الأكثر بدائية. بينما تعتمد الأنظمة الأقدم على المفتاح نفسه للتشفير وفك التشفير، يتيح PKC تشفير البيانات باستخدام المفتاح العام، وفك تشفيرها باستخدام المفتاح الخاص المقابل.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق مخطط PKC لتوليد التوقيعات الرقمية. وبشكل أساسي، تتمثل العملية في إخضاع رسالة (أو بيانات رقمية) لعملية الهاش بالتزامن مع المفتاح الخاص للمرسِل/الـموقّع. بعد ذلك يمكن لمستلم الرسالة التحقق من صحة التوقيع باستخدام المفتاح العام المقدم من الموقّع.
في بعض الظروف، قد تتضمن التوقيعات الرقمية تشفيرًا، رغم أنها ليست قاعدة دائمًا. على سبيل المثال، تستخدم بلوك تشين بيتكوين PKC والتوقيعات الرقمية، ولكن على عكس ما يعتقده الكثيرون، لا يحدث التشفير في هذه العملية. تقنيًا، يستخدم بيتكوين ما يُسمى خوارزمية التوقيع الرقمي لمنحنى إهليلجي (ECDSA) للتحقق من المعاملات.
آلية عمل التوقيعات الرقمية
في مجال العملات المشفرة، يتكون نظام التوقيع الرقمي غالبًا من ثلاث خطوات أساسية: الهاشينغ، ثم التوقيع، ثم التحقق.
هاشنة البيانات
الخطوة الأولى هي إخضاع الرسالة أو البيانات الرقمية لعملية الهاش. ويتم ذلك عبر معالجة البيانات بواسطة خوارزمية هاش، للحصول على قيمة هاش (في هذه الحالة، مُلخص الرسالة). كما ذُكر سابقًا، يمكن أن يتغير حجم الرسائل بشكل كبير، لكن عندما تُخضع لعملية الهاش، تكون جميع قيم الهاش الناتجة لها الطول نفسه. وهذه هي أبسط خاصية لدالة الهاش.
ومع ذلك، لإنتاج توقيع رقمي ليس ضروريًا بالضرورة إخضاع البيانات لعملية الهاش، لأنه يمكن استخدام مفتاح خاص لتوقيع رسالة دون أن تكون قد خضعت للهاش بأي شكل. لكن في حالة العملات المشفرة، تكون البيانات دائمًا خاضعة للهاش لأن التعامل مع مُلخصات ذات امتداد ثابت يسهّل كل العملية.
التوقيع
بعد إخضاع المعلومات لعملية الهاش، يجب على مُرسل الرسالة توقيعها. هذه هي اللحظة التي يدخل فيها تشفير المفتاح العام إلى حيز التنفيذ. توجد أنواع متعددة من خوارزميات التوقيع الرقمي، ولكل منها آليته الخاصة. لكن بشكل عام، يتم توقيع الرسالة التي تم هاشنتها باستخدام مفتاح خاص، ويمكن للمستلم بعد ذلك التحقق من صحتها باستخدام المفتاح العام المقابل (المقدم من المُوقّع).
بعبارة أخرى، إذا لم يتم تضمين المفتاح الخاص عند إنشاء التوقيع، فلن يتمكن مستلم الرسالة من استخدام المفتاح العام المقابل للتحقق من صحته. يُنشئ المرسل كلا المفتاحين العام والخاص، لكن يتم مشاركة المفتاح العام فقط مع المستلم.
يجدر الإشارة إلى أن التوقيعات الرقمية مرتبطة مباشرة بمحتوى كل رسالة. لذلك، على عكس التوقيعات المكتوبة باليد التي تميل لأن تكون متشابهة بغض النظر عن الرسالة، فإن كل رسالة يتم توقيعها رقميًا سيكون لها توقيع رقمي مختلف.
التحقق
لنفترض مثالًا لتوضيح كل عملية حتى الخطوة النهائية للتحقق. تخيّل أن أليس تكتب رسالة إلى بوب، ثم تقوم بتشفيرها، وبعد ذلك تجمع قيمة الهاش مع مفتاحها الخاص لإنشاء توقيع رقمي. سيعمل التوقيع كأنه «بصمة» فريدة لتلك الرسالة تحديدًا.
عندما يستلم بوب الرسالة، يمكنه التحقق من صحة التوقيع الرقمي باستخدام المفتاح العام المُقدّم من أليس. وبهذه الطريقة يمكن لبوب أن يتأكد من أن التوقيع تم إنشاؤه بواسطة أليس، لأن أليس فقط لديها المفتاح الخاص الذي يتوافق مع ذلك المفتاح العام (على الأقل هذا ما نتوقعه).
لذلك من الضروري أن تحافظ أليس على مفتاحها الخاص في السر. إذا حصل شخص آخر على مفتاح أليس الخاص، فيمكنه إنشاء توقيعات رقمية والادعاء بأنه أليس. وفي سياق البيتكوين، يعني ذلك أن شخصًا ما قد يستخدم المفتاح الخاص لأليس لتحريك أو إنفاق بيتكويناتها دون إذنها.
لماذا تُعد التوقيعات الرقمية مهمة؟
غالبًا ما تُستخدم التوقيعات الرقمية لتحقيق ثلاثة نتائج: سلامة البيانات، والتحقق من الهوية، وعدم الإنكار.
سلامة البيانات. يمكن لبوب التحقق من أن رسالة أليس لم تتغير في الطريق. أي تعديل في الرسالة سيؤدي إلى توقيع مختلف تمامًا.
الأصالة. طالما بقي المفتاح الخاص لأليس سرّيًا، يمكن لبوب استخدام مفتاحها العام للتأكد من أن التوقيعات الرقمية قد أُنشئت بواسطة أليس وليس بواسطة أي شخص آخر.
عدم الإنكار. بعد إنشاء التوقيع، لن تتمكن أليس من إنكار أنها وقّعت عليه مستقبلًا، ما لم يتم اختراق مفتاحها الخاص بطريقة ما.
حالات الاستخدام
يمكن تطبيق التوقيعات الرقمية على أنواع مختلفة من المستندات والشهادات الرقمية. وبذلك، لها عدة تطبيقات. ومن أكثر حالات الاستخدام شيوعًا:
تقنية المعلومات. لتحسين أمان أنظمة الاتصالات عبر الإنترنت.
التمويل. يمكن تطبيق التوقيعات الرقمية في عمليات التدقيق، وتقارير المصروفات، واتفاقيات القروض، وغير ذلك الكثير.
قانوني. توقيع رقمي لجميع أنواع العقود التجارية والاتفاقيات القانونية، بما في ذلك المستندات الحكومية.
الرعاية الصحية. يمكن للتوقيعات الرقمية أن تمنع الاحتيال في الوصفات والسجلات الطبية.
البلوك تشين. تضمن مخططات التوقيع الرقمي أن المالكين الشرعيين فقط للعملات المشفرة يمكنهم توقيع معاملة لتحريك الأموال (شريطة ألا يتم اختراق مفاتيحهم الخاصة).
القيود
تستند التحديات الرئيسية التي تواجه مخططات التوقيع الرقمي إلى ما لا يقل عن ثلاثة متطلبات:
الخوارزمية. جودة الخوارزميات المستخدمة في مخطط التوقيع الرقمي مهمة. ويشمل ذلك اختيار دوال هاش موثوقة وأنظمة التشفير.
التنفيذ. إذا كانت الخوارزميات جيدة لكن التنفيذ غير صحيح، فمن المحتمل أن يعاني نظام التوقيع الرقمي من عيوب.
المفتاح الخاص. إذا تم تسريب المفاتيح الخاصة أو اختراقها بأي شكل من الأشكال، تصبح خصائص الأصالة وعدم الإنكار غير صالحة. وبالنسبة لمستخدمي العملات المشفرة، قد يؤدي فقدان المفتاح الخاص إلى خسائر مالية كبيرة.
التوقيعات الإلكترونية مقابل التوقيعات الرقمية
بكلمات قليلة، ترتبط التوقيعات الرقمية بنوع معيّن من التوقيعات الإلكترونية، والتي تشير إلى أي طريقة إلكترونية لتوقيع المستندات والرسائل. لذلك، كل التوقيعات الرقمية هي توقيعات إلكترونية، لكن العكس ليس صحيحًا دائمًا.
الفرق الأساسي بينهما هو أسلوب التحقق. تُنفّذ التوقيعات الرقمية أنظمة تشفيرية مثل دوال الهاش والتشفير بالمفتاح العام وتقنيات التشفير.
الخلاصة
تُعد دوال الهاش والتشفير بالمفتاح العام جوهر أنظمة التوقيع الرقمي، والتي تُستخدم الآن في طيف واسع من حالات الاستخدام. وإذا تم تنفيذها بشكل صحيح، يمكن للتوقيعات الرقمية تعزيز الأمان وضمان سلامة البيانات وتسهيل التحقق من هوية جميع أنواع البيانات الرقمية.
في مجال البلوك تشين، تُستخدم التوقيعات الرقمية لتوقيع معاملات العملات المشفرة وتفويضها. وهي مهمة بشكل خاص في البيتكوين لأن التوقيعات تضمن أن العملات لا يمكن إنفاقها إلا من قِبل الأشخاص الذين يمتلكون المفاتيح الخاصة المقابلة.
على الرغم من أننا كنا نستخدم التوقيعات الإلكترونية والرقمية لسنوات، فما زال هناك مجال كبير للتطوير. لا تزال نسبة كبيرة من البيروقراطية الحالية تعتمد على الأعمال الورقية، لكن من المرجح أن نرى اعتمادًا أكبر لمخططات التوقيع الرقمي مع انتقالنا إلى نظام أكثر رقمية.