Digitale Signaturen sind kryptografische Mechanismen zur Überprüfung der Authentizität und Integrität von Zahlen und Daten. Wir können es uns als eine digitale Version der traditionellen handschriftlichen Signaturmethode vorstellen und es ist komplexer und sicherer als Signaturen.

Kurz gesagt können wir eine digitale Signatur als einen Code verstehen, der einer Nachricht oder einem Dokument beigefügt ist. Sobald eine digitale Signatur erstellt wurde, dient sie als Beweis dafür, dass die Nachricht auf ihrem Weg vom Absender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Während das Konzept, Kryptografie zum Schutz der Vertraulichkeit der Kommunikation einzusetzen, bis in die Antike zurückreicht, wurden digitale Signatursysteme erst in den 1970er Jahren mit der Entwicklung der Public-Key-Kryptografie (PKC) Realität. Um zu verstehen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen von Hash-Funktionen und der Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln verstehen.


Hash-Funktion

Hashing ist eines der Kernelemente digitaler Signaturen. Der Betriebsprozess des Hash-Werts bezieht sich auf die Konvertierung von Daten beliebiger Länge in eine feste Länge. Dies wird durch eine spezielle Operation namens Hash-Funktion erreicht. Der von der Hash-Funktion generierte Wert wird Hash-Wert oder Nachrichten-Digest genannt.

Wenn ein Hash-Wert mit einem kryptografischen Algorithmus kombiniert wird, der mithilfe einer kryptografischen Hash-Funktion einen Hash-Wert generiert (Digest), fungiert der Wert als eindeutiger digitaler Fingerabdruck. Dies bedeutet, dass jede Änderung der Eingabedaten (Nachricht) zu einem völlig anderen Ausgabewert (Hashwert) führt. Aus diesem Grund werden kryptografische Hash-Funktionen häufig zur Überprüfung der Authentizität von Zahlen und Daten eingesetzt.


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptographie oder PKC bezeichnet ein Verschlüsselungssystem, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen öffentlichen Schlüssel und einen privaten Schlüssel. Die beiden Schlüssel hängen mathematisch zusammen und können zur Datenverschlüsselung und digitalen Signaturen verwendet werden.

Als Verschlüsselungstool bietet PKC eine höhere Sicherheit als die symmetrische Verschlüsselung. Symmetrische Verschlüsselungssysteme basieren auf demselben Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln von Informationen, PKC verwendet jedoch einen öffentlichen Schlüssel zur Datenverschlüsselung und einen entsprechenden privaten Schlüssel zur Datenentschlüsselung.

Darüber hinaus kann PKC auch zur Generierung digitaler Signaturen eingesetzt werden. Im Wesentlichen beinhaltet der Prozess, dass der Absender den Hash der Nachricht (Daten) mit seinem eigenen privaten Schlüssel verschlüsselt. Anschließend kann der Empfänger der Nachricht anhand des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels prüfen, ob die digitale Signatur gültig ist.

In manchen Fällen kann die digitale Signatur selbst eine Verschlüsselung beinhalten, aber nicht immer. Beispielsweise verwendet die Bitcoin-Blockchain PKC und digitale Signaturen, und anders als die meisten Leute glauben, gibt es dabei keine Verschlüsselung. Technisch gesehen setzt Bitcoin wiederum den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) ein, um Transaktionen zu verifizieren.


Wie digitale Signaturen funktionieren

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

Hashen Sie die Daten

Der erste Schritt besteht darin, die Nachricht oder Daten zu hashen. Dies geschieht durch die Bearbeitung der Daten mithilfe eines Hashing-Algorithmus, um einen Hash-Wert (d. h. Message Digest) zu generieren. Wie oben erwähnt, kann die Länge von Nachrichten stark variieren, aber wenn Nachrichten gehasht werden, sind ihre Hash-Werte alle gleich lang. Dies ist die grundlegendste Eigenschaft von Hash-Funktionen.

Das bloße Hashen der Nachricht ist jedoch nicht notwendig, um eine digitale Signatur zu erzeugen, da Nachrichten, die nicht gehasht wurden, auch mit dem privaten Schlüssel verschlüsselt werden können. Für Kryptowährungen müssen Nachrichten jedoch von einer Hash-Funktion verarbeitet werden, da die Verarbeitung von Hash-Werten fester Länge die Ausführung von Kryptowährungsprogrammen unterstützt.

Zeichen

Nachdem die Informationen gehasht wurden, muss der Absender der Nachricht seine Nachricht signieren. Hier kommt die Public-Key-Kryptographie zum Einsatz. Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen für digitale Signaturen, von denen jeder über einen eigenen, einzigartigen Funktionsmechanismus verfügt. Im Wesentlichen wird eine gehashte Nachricht (Hash-Wert) 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 verwendet wird, kann der Empfänger der Nachricht den entsprechenden öffentlichen Schlüssel nicht zur Überprüfung der Gültigkeit der Nachricht verwenden. Sowohl öffentliche als auch private Schlüssel werden vom Absender der Nachricht generiert, aber nur der öffentliche Schlüssel wird mit dem Empfänger geteilt.

Es ist wichtig zu beachten, dass dem Inhalt jeder Nachricht digitale Signaturen zugeordnet sind. Daher sind digitale Signaturen im Gegensatz zu handschriftlichen Signaturen für jede Nachricht unterschiedlich.

verifizieren

Nehmen wir ein Beispiel, um den gesamten Prozess vom Anfang bis zum letzten Schritt der Verifizierung zu veranschaulichen. Nehmen wir an, dass Alice eine Nachricht an Bob sendet, die Nachricht zu einem Hash-Wert verarbeitet und dann den Hash-Wert mit ihrem privaten Schlüssel kombiniert, um eine digitale Signatur zu generieren. Die digitale Signatur dient als einzigartiger digitaler Fingerabdruck der 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 dem öffentlichen Schlüssel entspricht (zumindest haben wir das angenommen).

Daher ist es für Alice wichtig, ihren privaten Schlüssel sicher aufzubewahren. Wenn eine andere Person den privaten Schlüssel von Alice erhält, kann sie auch eine digitale Signatur erstellen und sich als Alice ausgeben. Im Zusammenhang mit Bitcoin bedeutet dies, dass jemand Zugriff auf die privaten Schlüssel von Alice hat und ihre Bitcoins ohne ihr Wissen übertragen oder verwenden kann.


Warum sind digitale Signaturen wichtig?

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

  • Datenintegrität. Bob kann überprüfen, ob Alices Nachricht manipuliert wurde. Jede Änderung der Nachricht führt zu einer völlig anderen digitalen Signatur.

  • Authentizität. Solange Alice ihren privaten Schlüssel sicher aufbewahrt, kann Bob mit ihrem öffentlichen Schlüssel bestätigen, dass die digitale Signatur von Alice selbst und nicht von jemand anderem erstellt wurde.

  • Unbestreitbarkeit. Nach dem Generieren einer Signatur kann Alice das Signieren dieser Signatur in Zukunft nicht mehr leugnen, es sei denn, ihr privater Schlüssel ist irgendwie kompromittiert.


Fall

Digitale Signaturen können auf eine Vielzahl digitaler Dokumente und Zertifikate angewendet werden. Daher haben sie mehrere Anwendungen. Zu den häufigsten Fällen gehören:

  • Informationstechnologie. Erhöhen Sie die Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.

  • Finanzen. Digitale Signaturen können auf Prüfungen, Finanzberichte, Kreditverträge und mehr angewendet werden.

  • Gesetz. Digitale Signaturen können auf eine Vielzahl von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich Regierungsdokumenten, angewendet werden.

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

  • Blockchain. Digitale Signatursysteme stellen sicher, dass nur der rechtmäßige Besitzer einer Kryptowährung Transaktionen signieren und Gelder bewegen kann (solange seine privaten Schlüssel nicht kompromittiert werden).


Einschränkung

Die größten Herausforderungen, mit denen digitale Signatursysteme konfrontiert sind, beschränken sich hauptsächlich auf die folgenden drei Faktoren:

  • Algorithmus. Die in digitalen Signaturverfahren verwendeten Algorithmen stellen hohe Qualitätsanforderungen. Dazu gehört die Wahl zuverlässiger Hash-Funktionen und Verschlüsselungssysteme.

  • Implementierung. Wenn der Algorithmus vollständig ist, es aber keinen guten Implementierungsplan gibt, kann das digitale Signatursystem auch versteckte Gefahren bergen.

  • Privat Schlüssel. Wenn der private Schlüssel verloren geht oder auf irgendeine Weise kompromittiert wird, sind Authentizität und Nichtabstreitbarkeit nicht garantiert. Für Benutzer von Kryptowährungen kann der Verlust privater Schlüssel zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.


Elektronische Signaturen und digitale Signaturen

Kurz gesagt kann eine digitale Signatur als eine spezielle Art der elektronischen Signatur verstanden werden, die sich auf die Verwendung elektronischer Mittel zum Signieren von Dokumenten und Nachrichten bezieht. Daher können alle digitalen Signaturen als elektronische Signaturen betrachtet werden, nicht jedoch umgekehrt.

Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Authentifizierungsmethode. Digitale Signaturen erfordern den Einsatz kryptografischer Systeme wie Hash-Funktionen, Public-Key-Kryptografie und Verschlüsselungstechniken.


Zusammenfassen

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie sind das Herzstück digitaler Signatursysteme und werden mittlerweile in verschiedenen Fällen eingesetzt. Bei ordnungsgemäßer Implementierung können digitale Signaturen die Sicherheit verbessern, die Integrität gewährleisten und die Authentifizierung aller Arten von Daten erleichtern.

In der Blockchain-Welt werden digitale Signaturen zum Signieren und Autorisieren von Kryptowährungstransaktionen verwendet. Für Bitcoin sind sie besonders wichtig, da digitale Signaturen sicherstellen, dass ein Token nur von jemandem verwendet werden kann, der über den entsprechenden privaten Schlüssel verfügt.

Obwohl wir bereits seit Jahren elektronische und digitale Signaturen verwenden, gibt es noch viel Raum für Wachstum. Heutzutage basieren die meisten offiziellen Dokumente immer noch auf Papiermaterialien, aber da immer mehr Systeme auf digitale Systeme umsteigen, werden wir mehr Lösungen für digitale Signaturen sehen.