Eine digitale Signatur ist ein kryptografischer Mechanismus zur Überprüfung der Authentizität und Integrität digitaler Daten. Wir können es als eine digitale Version gewöhnlicher handschriftlicher Unterschriften betrachten, jedoch mit einem höheren Maß an Komplexität und Sicherheit.

Vereinfacht ausgedrückt könnten wir eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der mit einer Nachricht oder einem Dokument verknüpft ist. Nach seiner Generierung dient dieser Code als Beweis dafür, dass die Nachricht während des Prozesses vom Sender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Obwohl das Konzept, die Kommunikation durch den Einsatz von Kryptographie zu schützen, bereits in der Antike existiert, wurden digitale Signatursysteme in den 1970er Jahren dank der Entwicklung der Public Key Cryptography (PKC) zu einer realen Möglichkeit. Um also zu lernen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen von Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptographie verstehen.


Hash-Funktionen

Hashing ist eines der Hauptelemente digitaler Signatursysteme. Beim Hashing-Prozess werden Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe fester Länge umgewandelt. Dies wird durch eine Art spezieller Algorithmen erreicht, die als Hash-Funktionen bekannt sind. Die von einer Hash-Funktion generierte Ausgabe wird als Hash-Wert oder Digest der Nachricht bezeichnet.

In Kombination mit Kryptographie können sogenannte kryptografische Hash-Funktionen verwendet werden, um einen Hash-Wert (Digest) zu generieren, der als eindeutiger Fingerabdruck fungiert. Dies bedeutet, dass jede Änderung der Eingabedaten (Nachricht) zu einer völlig anderen Ausgabe (Hashwert) führt. Aus diesem Grund werden kryptografische Hash-Funktionen häufig zur Überprüfung der Authentizität digitaler Daten eingesetzt.


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptografie (PKC) bezeichnet das kryptografische System, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen öffentlichen und einen privaten. Die beiden Schlüssel sind mathematisch verknüpft und können sowohl zur Datenverschlüsselung als auch zur digitalen Signatur verwendet werden.

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

Darüber hinaus kann das PKC-Schema zur Generierung digitaler Signaturen eingesetzt werden. Im Wesentlichen besteht der Prozess darin, eine Nachricht (oder digitale Daten) zusammen mit dem privaten Schlüssel des Unterzeichners zu hashen. Der Empfänger der Nachricht kann dann anhand des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels prüfen, ob die Signatur gültig ist.

Unter bestimmten Umständen können digitale Signaturen eine Verschlüsselung beinhalten, obwohl dies nicht immer der Fall ist. Beispielsweise nutzt die Bitcoin-Blockchain PKC und digitale Signaturen, aber anders als viele glauben, findet dabei keine Verschlüsselung statt. Technisch gesehen verwendet Bitcoin den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) zur Authentifizierung von Transaktionen.


Wie digitale Signaturen funktionieren

Im Bereich der Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem häufig aus drei grundlegenden Schritten: Hashing, Signieren und Verifizierung.

Daten-Hashing

Der erste Schritt besteht darin, die Nachricht oder digitalen Daten zu hashen. Dies wird erreicht, indem die Daten mithilfe eines Hashing-Algorithmus verarbeitet werden, um einen Hash-Wert (in diesem Fall den Digest der Nachricht) zu erhalten. Wie bereits erwähnt, kann die Größe von Nachrichten erheblich variieren, aber wenn sie gehasht werden, haben alle resultierenden Hash-Werte die gleiche Länge. Dies ist die grundlegendste Eigenschaft einer Hash-Funktion.

Um eine digitale Signatur zu erstellen, ist es jedoch nicht unbedingt erforderlich, die Daten einem Hashing zu unterziehen, da man eine Nachricht, die in keiner Weise gehasht wurde, mit einem privaten Schlüssel signieren kann. Bei Kryptowährungen werden die Daten nun immer einem Hashing-Prozess unterzogen, da der Umgang mit Digests fester Länge den gesamten Prozess vereinfacht.

Geschäft

Nach dem Hashing der Informationen muss der Absender der Nachricht diese signieren. Dies ist der Moment, in dem die Public-Key-Kryptographie zum Einsatz kommt. Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen für digitale Signaturen, jeder mit seinem eigenen Mechanismus. Im Allgemeinen wird die gehashte Nachricht jedoch mit einem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger kann 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 digitale Signaturen in direktem Zusammenhang mit dem Inhalt jeder Nachricht stehen. Im Gegensatz zu handschriftlichen Signaturen, die unabhängig von der Nachricht in der Regel gleich sind, verfügt jede digital signierte Nachricht über eine andere digitale Signatur.

überprüfen

Nehmen wir ein Beispiel, um den gesamten Prozess bis zum letzten Verifizierungsschritt zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Alice schreibt eine Nachricht an Bob, verschlüsselt sie und kombiniert dann den Hashwert mit ihrem privaten Schlüssel, um eine digitale Signatur zu generieren. Die Signatur fungiert als eindeutiger Fingerabdruck dieser bestimmten 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 hoffen wir das).

Daher ist es für Alice von entscheidender Bedeutung, ihren privaten Schlüssel geheim zu halten. Wenn eine andere Person Alices privaten Schlüssel in die Hände bekommt, kann sie digitale Signaturen 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 sind digitale Signaturen wichtig?

Digitale Signaturen werden häufig verwendet, um drei Ziele zu erreichen: Datenintegrität, Authentifizierung und Nichtabstreitbarkeit.

  • Datenintegrität. Bob kann überprüfen, ob sich Alices Nachricht unterwegs nicht geändert hat. Jede Änderung der Nachricht würde eine völlig andere Signatur erzeugen.

  • Authentizität. Solange Alices privater Schlüssel geheim gehalten wird, kann Bob ihren öffentlichen Schlüssel verwenden, um zu bestätigen, dass die digitalen Signaturen von Alice und niemand anderem erstellt wurden.

  • Ich lehne es nicht ab. Sobald die Signatur erstellt wurde, kann Alice in Zukunft nicht mehr leugnen, sie signiert zu haben, es sei denn, ihr privater Schlüssel ist auf irgendeine Weise kompromittiert.


Anwendungsfälle

Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten von Dokumenten und digitalen Zertifikaten angewendet werden. Als solche haben sie mehrere Anwendungen. Zu den häufigsten Anwendungsfällen gehören:

  • Informationstechnologie. Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.

  • Finanzen. Digitale Signaturen können in Prüfungen, Spesenabrechnungen, Kreditverträgen und vielem mehr implementiert werden.

  • Legal. Digitale Signatur aller 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 rechtmäßige Besitzer von Kryptowährungen eine Transaktion zur Übertragung von Geldern signieren können (solange ihre privaten Schlüssel nicht kompromittiert werden).


Einschränkungen

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

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

  • Implementierung. Wenn die Algorithmen gut sind, die Implementierung jedoch nicht, ist das digitale Signatursystem wahrscheinlich fehlerhaft.

  • Privat Schlüssel. Wenn die privaten Schlüssel verloren gehen oder auf irgendeine Weise kompromittiert werden, werden die Authentizitäts- und Nichtabstreitbarkeitseigenschaften ungültig. Für Benutzer von Kryptowährungen kann der Verlust eines privaten Schlüssels zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.


Elektronische Signaturen vs. Digitale Signaturen

Einfach ausgedrückt handelt es sich bei digitalen Signaturen um eine bestimmte Art elektronischer Signaturen, die sich auf jede elektronische Methode zum Signieren von Dokumenten und Nachrichten beziehen. 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, Public-Key-Kryptografie und Verschlüsselungstechniken.


Abschließend

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie bilden den Kern digitaler Signatursysteme, die heute in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden. Bei korrekter Implementierung 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 die Signaturen dafür sorgen, dass die Coins nur von Personen ausgegeben werden können, die über die entsprechenden privaten Schlüssel verfügen.

Obwohl wir bereits seit Jahren elektronische und digitale Signaturen verwenden, gibt es noch viel Raum für Wachstum. Ein Großteil der heutigen Bürokratie beruht immer noch auf Papierkram, aber wir werden wahrscheinlich eine stärkere Akzeptanz digitaler Signatursysteme erleben, wenn wir zu einem stärker digitalisierten System migrieren.