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

Kurz gesagt können wir eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der einer Nachricht oder einem Dokument beigefügt wird. Nach der Generierung dient der Code als Beweis dafür, dass die Nachricht auf dem Weg vom Absender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Während das Konzept der Sicherung der Kommunikation mithilfe von Kryptografie bis in die Antike zurückreicht, wurden digitale Signatursysteme in den 1970er Jahren dank der Entwicklung der Public-Key-Kryptografie (PKC) zur möglichen Realität. Um zu lernen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir daher zunächst die Grundlagen von Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptographie verstehen.


Hash-Funktionen

Hash-Funktionen sind eines der Hauptelemente digitaler Signatursysteme. Beim Hashing-Prozess werden Daten beliebiger Größe in Daten fester Größe umgewandelt. Dies geschieht durch eine spezielle Art von Algorithmen, die sogenannten Hash-Funktionen. Die von einer Hash-Funktion generierten Ausgabedaten werden als Hash-Werte bezeichnet.

In Kombination mit Kryptografie können sogenannte kryptografische Hash-Funktionen verwendet werden, um einen Hash-Wert zu generieren, der als eindeutiger Fingerabdruck dient. Das bedeutet, dass jede Änderung der Eingabedaten (Nachricht) zu einem völlig anderen Hash 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 kryptografisches System, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen öffentlichen Schlüssel und einen privaten Schlüssel. Die beiden Schlüssel hängen mathematisch zusammen und können sowohl für die Datenverschlüsselung als auch für digitale Signaturen verwendet werden.

Als Verschlüsselungstool ist das PKC-System 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 auch zur Generierung digitaler Signaturen eingesetzt werden. Der Prozess besteht aus der Übermittlung einer Nachricht (oder digitaler Daten) zusammen mit dem privaten Schlüssel des Absenders über eine Hash-Funktion. Anschließend kann der Empfänger der Nachricht mithilfe des vom Absender 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 nutzt die Bitcoin-Blockchain digitale Signaturen und PKC, aber im Gegensatz zu dem, was viele Leute denken, 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 Kontext von Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem im Allgemeinen aus drei grundlegenden Schritten: Hashing, Signieren und Verifizierung.

Hashen

Der erste Schritt besteht darin, die Nachricht oder digitalen Daten zu hashen. Dies geschieht durch einen Hashing-Algorithmus, der die Daten in einen Hash-Wert umwandelt. Wie bereits erwähnt, kann die Größe von Nachrichten erheblich variieren, aber wenn sie dem Hashing-Prozess unterzogen werden, sind alle Hashwerte gleich groß. Dies ist die primäre Eigenschaft einer Hash-Funktion.

Das Hashing von Daten ist jedoch nicht zwingend erforderlich, um eine digitale Signatur zu erstellen, da es möglich ist, einen privaten Schlüssel zum Signieren einer Nachricht zu verwenden, die keiner Hash-Funktion unterzogen wurde. Allerdings werden Nachrichten bei Kryptowährungen immer in Hashes umgewandelt, da die feste Größe der Hashwerte den gesamten Prozess erleichtert.

Unterschrift

Sobald die Informationen in Hash-Werte umgewandelt wurden, muss der Absender der Nachricht diese signieren. Dies ist der Moment, in dem die Public-Key-Kryptographie ins Spiel kommt. Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen für digitale Signaturen, jeder mit seinem eigenen Mechanismus. Im Allgemeinen wird die Nachricht jedoch mit einem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger der Nachricht kann ihre Gültigkeit mithilfe des entsprechenden öffentlichen Schlüssels (vom Absender bereitgestellt) überprüfen.

Mit anderen Worten: Wenn der private Schlüssel bei der Signaturerstellung nicht enthalten ist, kann der Nachrichtenempfänger den entsprechenden öffentlichen Schlüssel nicht verwenden, um die Gültigkeit der Signatur und der Nachricht zu überprüfen. Der öffentliche und der private Schlüssel werden vom Absender der Nachricht generiert, aber nur der öffentliche Schlüssel wird mit dem Empfänger geteilt.

Es ist erwähnenswert, dass digitale Signaturen in direktem Zusammenhang mit dem Inhalt jeder Nachricht stehen. Daher verfügt jede digital signierte Nachricht im Gegensatz zu handschriftlichen Signaturen, die unabhängig von der Nachricht in der Regel gleich sind, über eine andere digitale Signatur.

Überprüfung

Lassen Sie uns den gesamten Prozess bis zum letzten Verifizierungsschritt anhand eines Beispiels veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, dass Alice eine Nachricht an Bob geschrieben, einen Hashwert der Nachricht generiert und diesen mit ihrem privaten Schlüssel kombiniert hat, um eine digitale Signatur zu generieren. Die Signatur fungiert als einzigartiger Fingerabdruck, der ausschließlich für diese Nachricht gilt.

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 wichtig, dass Alice ihren privaten Schlüssel geheim hält. Wenn jemand anderes an Alices privaten Schlüssel gelangt, kann er im Namen von Alice gefälschte digitale Signaturen erstellen. Im Zusammenhang mit Bitcoin bedeutet dies, dass jemand den privaten Schlüssel von Alice verwenden kann, 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 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 in Zukunft nicht mehr leugnen, dass sie sie signiert hat, 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. Daher gibt es für sie mehrere Anwendungsmöglichkeiten. Zu den häufigsten Anwendungsfällen gehören:

  • Informationstechnologie. Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.

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

  • Benutze es cool. Digitale Signaturen für alle Arten von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich Regierungsdokumenten.

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

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


Einschränkungen

Die größten Herausforderungen für digitale Signatursysteme hängen mit mindestens drei Faktoren zusammen:

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

  • Implementierung. Selbst wenn die Algorithmen gut sind, führt eine schlechte Implementierung wahrscheinlich zu Fehlern im digitalen Signatursystem.

  • Privat Schlüssel. Wenn die privaten Schlüssel in irgendeiner Weise kompromittiert werden, werden die Authentizitäts- und Nichtabstreitbarkeitseigenschaften ungültig. Für Nutzer von Kryptowährungen kann der Verlust eines privaten Schlüssels zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.


Elektronische vs. elektronische Signaturen digitale Signaturen

Kurz gesagt 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 den beiden Systemen ist die Authentifizierungsmethode. Digitale Signaturen nutzen kryptografische Systeme wie Hash-Funktionen, Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln und Verschlüsselungstechniken.


Schlussbetrachtungen

Hash-Funktionen und das PKC-System sind entscheidende Elemente in digitalen Signaturschemata, die mittlerweile in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden. Bei richtiger 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 für Bitcoin besonders wichtig, da Signaturen sicherstellen, dass Coins nur von Personen verwendet 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 großer Teil der heutigen Bürokratie basiert immer noch auf Papier, aber wir werden wahrscheinlich eine stärkere Einführung digitaler Signatursysteme erleben, wenn wir zu einem stärker digitalisierten System übergehen.