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

Vereinfacht 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 zwischen Absender und Empfänger in keiner Weise manipuliert wurde.

Obwohl das Konzept der Sicherung der Kommunikation mithilfe von Kryptografie weit in die Menschheitsgeschichte zurückreicht, wurden digitale Signatursysteme in den 1970er Jahren dank der Entwicklung der Public Key Cryptography (PKC) Realität. Um zu verstehen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen von Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptographie verstehen.


Hash-Funktionen

Der Hash ist eines der Hauptelemente eines digitalen Signatursystems. Beim Hashing-Prozess werden Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe mit einer vorgegebenen Größe umgewandelt. Dies wird mit einem speziellen Algorithmus erreicht, der sogenannten Hash-Funktion. Die von einer Hash-Funktion erzeugte Ausgabe wird als Hash-Wert oder Fingerabdruck bezeichnet.

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


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptografie (PKC) bezieht sich auf ein Kryptografiesystem, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen öffentlichen Schlüssel und einen privaten Schlüssel. Die beiden Schlüssel sind mathematisch korreliert und können sowohl für die Datenverschlüsselung als auch für digitale Signaturen 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 einem öffentlichen Schlüssel und die Entschlüsselung dieser Daten mit dem entsprechenden privaten Schlüssel.

Darüber hinaus kann das PKC-Schema auch bei der Generierung digitaler Signaturen angewendet werden. Im Wesentlichen umfasst der Prozess das Hashen einer Nachricht (oder digitaler Daten) mit dem privaten Schlüssel des Unterzeichners. Anschließend kann der Empfänger der Nachricht mithilfe des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen, ob die Signatur gültig ist.

In manchen Situationen können digitale Signaturen eine Verschlüsselung beinhalten, dies ist jedoch nicht immer der Fall. Beispielsweise verwendet die Bitcoin-Blockchain PKC und digitale Signaturen, aber im Gegensatz zu dem, was viele Leute glauben, gibt es dabei keine Verschlüsselung. Technisch gesehen setzt Bitcoin den Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) ein, um Transaktionen zu authentifizieren.


Wie digitale Signaturen funktionieren

Im Zusammenhang mit 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. Letzteres wird erreicht, indem die Daten einem Hash-Algorithmus unterzogen werden, sodass ein Hash-Wert generiert wird (d. h. eine Zusammenfassung der Nachricht). Wie bereits erwähnt, kann die Größe von Nachrichten erheblich variieren, aber wenn sie gehasht werden, haben alle ihre Hash-Werte die gleiche Größe. Dies ist die grundlegendste Eigenschaft einer Hash-Funktion.

Das Hashing von Daten ist jedoch keine zwingende Voraussetzung für die Erstellung einer digitalen Signatur, da ein privater Schlüssel zum Signieren einer Nachricht verwendet werden kann, ohne dass diese gehasht wurde. Bei Kryptowährungen werden Daten systematisch gehasht, da die Manipulation von Fingerabdrücken, deren Größe fest und unveränderlich ist, den Prozess erleichtert.

Unterschrift

Nach dem Hashing der Informationen muss der Absender der Nachricht diese signieren. Hier kommt die Public-Key-Kryptographie ins Spiel. Es gibt verschiedene Arten von digitalen Signaturalgorithmen, jeder mit seinem eigenen Mechanismus. Aber im Allgemeinen wird die gehashte Nachricht mit einem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger der Nachricht kann dann ihre Gültigkeit mithilfe des entsprechenden öffentlichen Schlüssels (vom Unterzeichner bereitgestellt) überprüfen.

Das heißt, 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. Der öffentliche und der private Schlüssel werden vom Absender der Nachricht generiert, aber nur der öffentliche Schlüssel wird mit dem Empfänger geteilt.

Es ist wichtig zu beachten, dass digitale Signaturen direkt mit dem Inhalt jeder Nachricht verknüpft sind. Im Gegensatz zu handschriftlichen Signaturen, die unabhängig von der Nachricht, an die sie angehängt sind, in der Regel immer gleich sind, verfügt jede digital signierte Nachricht über eine andere digitale Signatur.

Überprüfung

Nehmen wir ein Beispiel, um den gesamten Prozess bis zum letzten Verifizierungsschritt zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Alice schreibt eine Nachricht an Bob, hasht sie und kombiniert dann den Hashwert mit ihrem privaten Schlüssel, um eine digitale Signatur zu generieren. Die Signatur fungiert als einzigartiger digitaler Fingerabdruck für diese bestimmte 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 sie die einzige ist, die über den privaten Schlüssel verfügt, der mit diesem öffentlichen Schlüssel übereinstimmt (zumindest erwartet Bob das).

Daher ist es für Alice von entscheidender Bedeutung, ihren privaten Schlüssel geheim zu halten. Wenn jemand anderes den privaten Schlüssel von Alice in die Hände bekommt, kann diese Person 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 für drei Zwecke verwendet, die ihre Eigenschaften erreichen: Datenintegrität, Authentifizierung und Nichtabstreitbarkeit.

  • Datenintegrität. Bob kann überprüfen, ob Alices Nachricht zwischen dem Senden und Empfangen nicht verändert wurde. Jede Änderung der Nachricht würde eine völlig andere Signatur erzeugen.

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

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


Anwendungsfälle

Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten digitaler Dokumente und Zertifikate angewendet werden. Als solche haben sie mehrere Anwendungen. Zu den häufigsten Anwendungsfällen gehören:

  • Informationstechnologien, um die Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen zu verbessern.

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

  • Das Gesetz. Digitale Unterzeichnung aller Arten von Business-to-Business-Verträgen und rechtlichen Vereinbarungen. Das Gleiche gilt für Regierungsdokumente.

  • Soziale Sicherheit. Digitale Signaturen können als Vorbeugung gegen Betrug bei Verschreibungen und Krankenakten dienen.

  • Blockchain. Digitale Signaturen stellen sicher, dass nur der rechtmäßige Eigentümer der Gelder eine Transaktion signieren kann (sofern seine privaten Schlüssel nicht kompromittiert werden).


Einschränkungen

Die größten Herausforderungen für digitale Signatursysteme hängen von mindestens drei Anforderungen ab:

  • Der 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, weist das digitale Signatursystem wahrscheinlich Mängel auf.

  • 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 versus digitale Signaturen

Vereinfacht gesagt handelt es sich bei digitalen Signaturen um eine besondere Art der elektronischen Signatur, die sich auf jede elektronische Methode zum Signieren eines Dokuments oder einer Nachricht bezieht. Daher sind alle digitalen Signaturen elektronische Signaturen, aber das Gegenteil ist nicht immer der Fall.

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


Schlussfolgern

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie sind das Herzstück 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.

In der Blockchain werden digitale Signaturen verwendet, um Kryptowährungstransaktionen zu signieren und zu autorisieren. Für Bitcoin sind sie besonders wichtig, da Signaturen dafür sorgen, dass Coins nur von Personen ausgegeben werden können, die über den entsprechenden privaten Schlüssel verfügen.

Obwohl sie schon seit Jahren im Einsatz sind, gibt es im Bereich der digitalen und elektronischen Signaturen noch große Fortschritte zu machen. Ein großer Teil der heutigen Bürokratie basiert immer noch auf der Verwendung von Papier, aber es ist wahrscheinlich, dass wir auf dem Weg zu einer immer stärker digitalisierten Gesellschaft eine weit verbreitete Einführung digitaler Signaturen erleben werden.