Eine digitale Signatur ist ein kryptografischer Mechanismus, mit dem die Authentizität und Integrität digitaler Daten überprüft wird. Wir können es als eine digitale Version herkömmlicher handschriftlicher Unterschriften betrachten, jedoch mit einem höheren Maß an Komplexität und Sicherheit.

Vereinfacht ausgedrückt können wir eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der einer Nachricht oder einem Dokument beigefügt ist. Nach der Generierung dient der Code als Beweis dafür, dass die Nachricht während der Übertragung vom Absender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Obwohl es das Konzept der Sicherung der Kommunikation mithilfe von Kryptografie schon seit der Antike gibt, wurden digitale Signatursysteme in den 1970er Jahren dank der Entwicklung der Public Key Cryptography (PKC) Realität. Um also zu lernen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen von Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie verstehen.


Hash-Funktion

Hashing ist eines der Kernelemente eines digitalen Signatursystems. Beim Hashing werden Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe fester Größe umgewandelt. Dies geschieht durch einen speziellen Algorithmustyp, der als Hash-Funktion bezeichnet wird. Die von der Hash-Funktion erzeugte Ausgabe wird als Hash-Wert oder verschlüsselte Nachricht bezeichnet.

In Kombination mit Kryptografie können kryptografische Hash-Funktionen verwendet werden, um Hash-Werte (Kryptografie) zu erstellen, die als eindeutiger digitaler Fingerabdruck fungieren. Dies bedeutet, dass jede Änderung der Eingabedaten (Nachricht) zu einer völlig anderen Ausgabe (Hashwert) führt. Und deshalb werden kryptografische Hash-Funktionen häufig zur Überprüfung der Authentizität digitaler Daten eingesetzt.


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptografie (PKC) bezieht sich auf ein kryptografisches System, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen öffentlichen Schlüssel und einen privaten Schlüssel. Die beiden Schlüssel hängen mathematisch zusammen und können beide für die Datenverschlüsselung und digitale Signaturen verwendet werden.

Als Verschlüsselungstool ist PKC sicherer als rudimentäre Methoden der symmetrischen Verschlüsselung. Während ältere Systeme ebenfalls auf denselben Schlüssel zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Informationen angewiesen waren, ermöglicht PKC das Verschlüsseln von Daten mit einem öffentlichen Schlüssel und das Entschlüsseln von Daten mit einem entsprechenden privaten Schlüssel.

Darüber hinaus kann das PKC-System auch zur Erstellung digitaler Signaturen eingesetzt werden. Im Wesentlichen umfasst der Prozess das Hashen der Nachricht (oder digitaler Daten) mithilfe des privaten Schlüssels des Unterzeichners. Anschließend kann der Empfänger der Nachricht anhand des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels prüfen, ob die Signatur gültig ist.

In einigen Fällen können digitale Signaturen eine Verschlüsselung beinhalten, aber nicht immer. Beispielsweise verwendet die Bitcoin-Blockchain PKC und digitale Signaturen, aber entgegen der landläufigen Meinung gibt es dabei keine Verschlüsselung. Technisch implementiert Bitcoin den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) zur Authentifizierung von Transaktionen.


Wie digitale Signaturen funktionieren

Im Zusammenhang mit Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem typischerweise aus drei grundlegenden Schritten: Hashing, Signieren und Verifizierung.

Hashing-Daten

Der erste Schritt ist das Hashen der digitalen Nachricht oder Daten. Dazu werden die Daten durch einen Hashing-Algorithmus gesendet, um einen Hashwert (d. h. eine verschlüsselte Nachricht) zu erzeugen. Wie bereits erwähnt, können Nachrichten unterschiedliche Größen haben, aber wenn sie gehasht werden, haben alle Hashes die gleiche Länge. Dies ist die grundlegendste Eigenschaft einer Hash-Funktion.

Für die Erstellung einer digitalen Signatur ist jedoch kein Hashing der Daten erforderlich, da der private Schlüssel zum Signieren einer nicht gehashten Nachricht verwendet werden kann. Bei Kryptowährungen werden Daten jedoch immer gehasht, da der Umgang mit Hashes fester Länge den gesamten Prozess erleichtert.

Unterschrift

Sobald die Nachricht gehasht ist, muss die Person, die die Nachricht sendet, sie signieren. Hier kommt die Public-Key-Kryptographie ins Spiel. Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen für digitale Signaturen, jeder mit seinem eigenen Mechanismus. Im Wesentlichen wird die gehashte Nachricht jedoch mit einem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger der Nachricht kann dann ihre Gültigkeit mithilfe des entsprechenden öffentlichen Schlüssels (vom Unterzeichner bereitgestellt) überprüfen.

Mit anderen Worten: Wenn der private Schlüssel bei der Signaturerstellung nicht enthalten ist, kann der Empfänger der Nachricht den entsprechenden öffentlichen Schlüssel nicht zur Überprüfung der Gültigkeit der Nachricht verwenden. Sowohl der öffentliche als auch der private Schlüssel werden vom Absender der Nachricht generiert, aber nur der öffentliche Schlüssel wird mit dem Empfänger geteilt.

Es ist zu beachten, dass die elektronische Signatur in direktem Zusammenhang mit dem Inhalt jeder Nachricht steht. Wenn also eine handschriftliche Signatur unabhängig vom Nachrichteninhalt gleich bleibt, hat jede digital signierte Nachricht eine andere digitale Signatur.

Authentifizierung

Nehmen wir ein Beispiel, um den gesamten Prozess bis zum letzten Verifizierungsschritt zu veranschaulichen. Angenommen, Alice schreibt eine Nachricht an Bob, hasht die Nachricht, um einen Hash-Code zu erstellen, und kombiniert dann diesen Hash-Wert mit ihrem privaten Schlüssel, um eine digitale Signatur zu erstellen. Die Signatur fungiert als einzigartiger digitaler Fingerabdruck dieser Nachricht.

Wenn Bob die Nachricht erhält, kann er die Gültigkeit der digitalen Signatur mithilfe des von Alice bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen. Auf diese Weise kann Bob sicher sein, dass die Signatur von Alice erstellt wurde, da nur sie über den privaten Schlüssel verfügt, der diesem öffentlichen Schlüssel entspricht (zumindest erwarten wir das).

Daher ist es für Alice wichtig, ihren privaten Schlüssel geheim zu halten. Wenn jemand anderes den privaten Schlüssel von Alice erhält, kann er eine digitale Signatur erstellen und sich als Alice ausgeben. Im Zusammenhang mit Bitcoin bedeutet dies, dass jemand Alices privaten Schlüssel verwenden könnte, um ihre Bitcoins ohne ihre Erlaubnis zu verschieben oder auszugeben.


Warum ist eine digitale Signatur wichtig?

Digitale Signaturen werden häufig verwendet, um Datenintegrität, Authentifizierung und Anti-Commitment zu erreichen.

  • Datenintegrität. Bob kann überprüfen, ob Alices Nachricht auf dem Weg zum Senden nicht verändert wurde. Jede Änderung der Nachricht führt zu einer völlig anderen Signatur.

  • Authentizität. Solange Alices privater Schlüssel geheim gehalten wird, kann Bob seinen öffentlichen Schlüssel verwenden, um zu bestätigen, dass die digitale Signatur von Alice und nicht von jemand anderem erstellt wurde.

  • Anti-Ablehnung. Sobald die Signatur erstellt wurde, kann Alice nicht mehr leugnen, dass sie sie signiert hat, es sei denn, ihr privater Schlüssel ist kompromittiert.


Anwendungsfälle

Digitale Signaturen können auf viele verschiedene Arten von Dokumenten und digitalen Zertifikaten angewendet werden. Daher haben sie eine Reihe von Anwendungen. Zu den häufigsten Anwendungsfällen gehören:  

  • Informationstechnologie. Zur Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.

  • Finanzen. Digitale Signaturen können für Prüfungen, Spesenabrechnungen, Kreditverträge und mehr eingesetzt werden.

  • Legal. Die Verwendung digitaler Signaturen für alle Arten von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich Regierungsdokumenten.

  • Gesundheitspflege. Digitale Signaturen können Betrug bei Rezepten und Krankenakten verhindern.

  • Blockchain. Digitale Signatursysteme stellen sicher, dass nur die rechtmäßigen Eigentümer der Kryptowährung eine Transaktion zur Überweisung von Geldern signieren können (solange ihre privaten Schlüssel nicht kompromittiert werden).


Limit

Die größten Herausforderungen für digitale Signatursysteme basieren auf mindestens drei Anforderungen: 

  • Algorithmus. Die Qualität der in einem digitalen Signatursystem verwendeten Algorithmen ist sehr wichtig. Dazu gehört die Auswahl zuverlässiger Hash-Funktionen und kryptografischer Systeme.

  • Einsatz. Wenn die Algorithmen gut sind, die Implementierung jedoch nicht, weist das digitale Signatursystem wahrscheinlich Fehler auf.

  • Privater Schlüssel. Wenn private Schlüssel verloren gehen oder auf andere Weise kompromittiert werden, werden die Authentifizierungs- und Nichtabstreitbarkeitseigenschaften ungültig. Für Benutzer von Kryptowährungen kann der Verlust privater Schlüssel zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.


Elektronische Signatur und digitale Signatur

Einfach ausgedrückt bezieht sich eine elektronische Signatur auf eine bestimmte Art elektronischer Signatur – und bezieht sich auf jede elektronische Methode zum Signieren von Dokumenten und Nachrichten. Daher sind alle digitalen Signaturen elektronische Signaturen, aber das Gegenteil ist nicht immer der Fall.

Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Authentifizierungsmethode. Digitale Signaturen implementieren kryptografische Systeme wie Hash-Funktionen, Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln und Verschlüsselungstechniken.


Abschließen

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie bilden den Kern digitaler Signatursysteme, die heute in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden. Bei richtiger Anwendung können digitale Signaturen die Sicherheit erhöhen, die Integrität gewährleisten und die Authentifizierung aller Arten digitaler Daten erleichtern.

Im Blockchain-Bereich werden digitale Signaturen zum Signieren und Autorisieren von Kryptowährungstransaktionen verwendet. Für Bitcoin sind sie besonders wichtig, da Signaturen dafür sorgen, dass nur Personen, die im Besitz des entsprechenden privaten Schlüssels sind, die Coins ausgeben können.

Obwohl wir seit vielen Jahren sowohl elektronische als auch digitale Signaturen verwenden, gibt es noch viel Raum für Wachstum. Ein großer Teil der heutigen Bürokratie basiert immer noch auf Papier, aber mit der Umstellung auf ein stärker digitalisiertes System werden wir wahrscheinlich eine stärkere Akzeptanz digitaler Signatursysteme erleben.