Eine digitale Signatur ist ein Verschlüsselungsmechanismus, der zur Überprüfung der Authentizität und Integrität digitaler Daten verwendet wird. Wir können es als eine digitale Version der regulären handschriftlichen Unterschrift 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 Erstellung dient der Code als Beweis dafür, dass die Nachricht auf dem Weg vom Absender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Obwohl das Konzept der Sicherung der Kommunikation mittels Kryptografie bereits in der Antike existiert, wurden digitale Signatursysteme in den 1970er Jahren dank der Entwicklung der Public-Key-Kryptografie (PKC) zur möglichen Realität. Um zu wissen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen von Hash-Funktionen und der Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln verstehen.


Hash-Funktionen

Hashing ist eines der Grundelemente eines digitalen Signatursystems. Beim Hashing-Prozess werden Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe fester Größe umgewandelt. Dies geschieht durch eine spezielle Art von Algorithmus, die sogenannten Hash-Funktionen. Die von einer Hash-Funktion generierte Ausgabe wird als Hash-Wert oder Nachrichten-Digest bezeichnet.

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


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptographie oder PKC bezieht sich auf ein Kryptosystem, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen öffentlichen Schlüssel und einen privaten Schlüssel. Die beiden Schlüssel hängen mathematisch zusammen und können zur Verschlüsselung von Daten und digitalen Signaturen verwendet werden.

PKC als kryptografisches Werkzeug gilt als sicherer als primitive Methoden der symmetrischen Verschlüsselung. Während ältere Systeme zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Informationen denselben Schlüssel verwendeten, ermöglicht PKC die Verschlüsselung von Daten mit dem öffentlichen Schlüssel und die Entschlüsselung von Daten mit dem entsprechenden privaten Schlüssel.

Darüber hinaus kann das PKC-System auch zur Generierung digitaler Signaturen eingesetzt werden. Der Prozess besteht darin, eine Nachricht (oder digitale Daten) zusammen mit dem privaten Schlüssel des Unterzeichners zu hashen. 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, aber das ist nicht immer der Fall. Beispielsweise verwendet die Bitcoin-Blockchain PKC und digitale Signaturen, aber im Gegensatz zu dem, was viele Leute glauben, gibt es bei diesem Prozess keine Verschlüsselung. Technisch gesehen nutzt Bitcoin den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), um Transaktionen zu authentifizieren.


Wie digitale Signaturen funktionieren

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

Datenfragmentierung

Der erste Schritt besteht darin, die digitale Nachricht oder Daten zu hashen. Dazu werden die Daten durch einen Hashing-Algorithmus geleitet, sodass ein Hash-Wert (d. h. ein Message Digest) generiert wird. Wie bereits erwähnt, können Nachrichten stark unterschiedlich groß sein, beim Hashing haben jedoch alle Hashwerte die gleiche Länge. Dies ist die Grundeigenschaft der Hash-Funktion.

Das Hashen der Daten ist jedoch nicht erforderlich, um eine digitale Signatur zu erstellen, da ein privater Schlüssel zum Signieren einer Nachricht verwendet werden kann, die noch nie gehasht wurde. Bei Kryptowährungen werden die Daten jedoch immer gehasht, da der Umgang mit Daten fester Länge den gesamten Prozess vereinfacht.

die Unterschrift

Nachdem die Informationen gehasht wurden, muss der Absender der Nachricht sie signieren. Dies ist der Moment, in dem die Public-Key-Kryptographie ins Spiel kommt. Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen für digitale Signaturen und jeder verfügt über seinen eigenen Mechanismus, nach dem er funktioniert. Aber grundsätzlich wird die Hash-Nachricht mit einem privaten Schlüssel signiert und der Empfänger der Nachricht kann dann ihre Gültigkeit mithilfe des symmetrischen 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 symmetrischen öffentlichen Schlüssel nicht zur Überprüfung ihrer Authentizität verwenden. Sowohl öffentliche als auch private Schlüssel werden vom Absender der Nachricht generiert, aber nur der öffentliche Schlüssel wird mit dem Empfänger der Nachricht geteilt.

Es ist zu beachten, dass digitale Signaturen direkt mit dem Inhalt jeder Nachricht verknüpft sind. 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.

Überprüfung

Nehmen wir ein Beispiel, um den gesamten Prozess bis zum letzten Schritt, der Verifizierung, 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 erstellen. Die Signatur fungiert als einzigartiger digitaler Fingerabdruck für diese Nachricht.

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

Daher ist es für Alice wichtig, den privaten Schlüssel an einem geheimen Ort aufzubewahren, damit jemand anderes, wenn er Alices privaten Schlüssel in die Hände bekommt, digitale Signaturen erstellen und sich als Alice ausgeben (ihre Identität nachahmen) kann. Im Zusammenhang mit Bitcoin bedeutet dies, dass jeder den privaten Schlüssel von Alice verwenden kann, um ihre Bitcoins ohne ihre Erlaubnis zu übertragen 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 Alices Nachricht nach dem Senden nicht geändert wurde, da jede Änderung der Nachricht zu einer völlig anderen Signatur führen würde.

  • Dokumentation. Solange Alices privater Schlüssel sicher und vertraulich aufbewahrt wird, kann Bob den öffentlichen Schlüssel verwenden, um zu bestätigen, dass die digitalen Signaturen von Alice und nicht von jemand anderem erstellt wurden.

  • Nichtleugnung. Sobald eine Signatur erstellt wurde, kann Alice diese Signatur in Zukunft nicht mehr verweigern, es sei denn, ihr privater Schlüssel ist kompromittiert.


Anwendungsfälle

Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten von Dokumenten und digitalen Zertifikaten angewendet werden. Als solches hat es viele Anwendungsmöglichkeiten. Zu den häufigsten Anwendungsfällen gehören:

  • Informationstechnik. Zur Verbesserung der Sicherheit von Online-Kommunikationssystemen.

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

  • legal. Digitale Signatur für alle Arten von Handelsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich Regierungsdokumenten.

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

  • Blockchain. Digitale Signatursysteme stellen sicher, dass nur rechtmäßige Besitzer digitaler Währungen eine Transaktion zum Geldtransfer signieren können (sofern ihre privaten Schlüssel nicht kompromittiert werden).


Einschränkungen

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

  • Algorithmus. Die Qualität der in digitalen Signatursystemen verwendeten Algorithmen ist sehr 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 private Schlüssel durchsickern oder auf irgendeine Weise kompromittiert werden, werden bestimmte Eigenschaften wie Nichtabstreitbarkeit und andere ungültig. Für Benutzer digitaler Währungen kann der Verlust des privaten Schlüssels zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.


Elektronische Signaturen und digitale Signaturen

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


Abschließende Gedanken

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

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

Obwohl wir seit Jahren sowohl elektronische als auch 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 Einführung digitaler Signatursysteme erleben, wenn wir zu einem stärker digitalen System übergehen.