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

Einfach ausgedrückt 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 auf ihrem 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 mit der Entwicklung der Public-Key-Kryptografie (PKC) zur möglichen Realität. 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 eines digitalen Signatursystems. Beim Hashing-Prozess werden Daten beliebiger Größe in Ausgabedaten fester Größe umgewandelt. Dies geschieht mithilfe einer speziellen Art von Algorithmen, den sogenannten Hash-Funktionen. Die von der Hash-Funktion generierte Ausgabe wird als Hash-Wert oder Digest der Nachricht bezeichnet.

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


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptographie oder 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 PKC sicherer als einfachere symmetrische Verschlüsselungsmethoden. 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 von Daten mit dem entsprechenden privaten Schlüssel.

Darüber hinaus kann das PKC-Schema auch bei der Erstellung digitaler Signaturen verwendet werden. Im Wesentlichen besteht der Prozess darin, die Nachricht (oder digitale Daten) zusammen mit dem privaten Schlüssel des Unterzeichners zu hashen. Der Empfänger der Nachricht kann dann mithilfe des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen, ob die Signatur gültig ist.

In manchen Situationen können digitale Signaturen eine Verschlüsselung enthalten, dies ist jedoch nicht immer der Fall. Beispielsweise verwendet die Bitcoin-Blockchain PKC und digitale Signaturen, aber im Gegensatz zu dem, was viele glauben, ist keine Verschlüsselung dabei. Technisch gesehen verwendet Bitcoin den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) zur Authentifizierung von Transaktionen.


Wie digitale Signaturen funktionieren

Im Zusammenhang mit Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem häufig aus drei Hauptschritten: Hashing, Signieren und Verifizierung.

Daten-Hashing

Der erste Schritt besteht darin, die Nachricht oder digitalen Daten zu hashen. Dazu werden die Daten mithilfe eines Hashing-Algorithmus gesendet, um einen Hash-Wert (dh einen Auszug der Nachricht) zu erstellen. Wie bereits erwähnt, kann die Größe von Nachrichten stark variieren, aber wenn sie gehasht werden, sind alle ihre Hash-Werte gleich lang. Dies ist die Haupteigenschaft der Hash-Funktion.

Für die Erstellung einer digitalen Signatur ist jedoch kein Hashing der Daten erforderlich, da man einen privaten Schlüssel zum Signieren einer Nachricht verwenden kann, die überhaupt nicht gehasht wurde. Bei Kryptowährungen werden die Daten jedoch immer gehasht, da die Arbeit mit Digests fester Länge den gesamten Prozess vereinfacht.

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 Algorithmen für digitale Signaturen, jeder mit seinem eigenen Mechanismus. Im Wesentlichen wird die gehashte Nachricht jedoch mit einem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger der Nachricht kann dann ihre Authentizität mithilfe des entsprechenden privaten Schlüssels (vom Unterzeichner bereitgestellt) überprüfen.

Mit anderen Worten: Wenn der private Schlüssel beim Erstellen der Signatur nicht aktiviert ist, kann der Empfänger der Nachricht den entsprechenden öffentlichen Schlüssel nicht zur Überprüfung ihrer Authentizität verwenden. Sowohl der öffentliche als auch der private Schlüssel werden vom Absender der Nachricht generiert, der öffentliche Schlüssel wird jedoch an den Empfänger übermittelt.

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

Prüfung

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 dient als eindeutiger digitaler Fingerabdruck dieser Nachricht.

Wenn Bob die Nachricht erhält, kann er die Gültigkeit der digitalen Signatur mithilfe des von Alice bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen. Bob kann also sicher sein, dass die Signatur von Alice erstellt wurde, da nur sie über einen privaten Schlüssel verfügt, der mit dem öffentlichen Schlüssel übereinstimmt (zumindest erwarten wir das).

Daher ist es für Alice sehr wichtig, ihren privaten Schlüssel geheim zu halten. Wenn eine andere Person den privaten Schlüssel von Alice erhält, kann sie eine digitale Signatur erstellen und sich als Alice ausgeben. 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 Failover.

  • Datenintegrität. Bob kann überprüfen, ob sich Alices Nachricht unterwegs nicht geändert hat. Jede Änderung der Nachricht führt zu einer völlig anderen Signatur.

  • Authentizität. Vorausgesetzt, Alices privater Schlüssel wird geheim gehalten, kann Bob mithilfe ihres öffentlichen Schlüssels überprüfen, ob die digitalen Signaturen von Alice und niemand anderem erstellt wurden.

  • Zuverlässigkeit. Sobald die Signatur erstellt wurde, kann Alice nicht leugnen, dass sie sie in Zukunft signiert hat, es sei denn, ihr privater Schlüssel ist kompromittiert.


Einsatzmöglichkeiten

Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten digitaler Dokumente und Zertifikate angewendet werden. Als solche haben sie mehrere Verwendungsmöglichkeiten. Einige der häufigsten Anwendungen sind:  

  • Informationstechnologien: Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.

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

  • Gesetzliche Regelung: Digitale Unterzeichnung aller Arten von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich Regierungsdokumenten.

  • Gesundheitswesen: Digitale Signaturen können die Fälschung von Rezepten und Krankenakten verhindern.

  • Blockchain: Digitale Signatursysteme stellen sicher, dass nur die rechtmäßigen Besitzer einer Kryptowährung eine Transaktion zur Übertragung von Geldern signieren können (vorausgesetzt, ihre privaten Schlüssel werden nicht kompromittiert).


Einschränkung

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

  • Algorithmus: Die Qualität der in einem digitalen Signaturschema verwendeten Algorithmen ist wichtig. Dies betrifft insbesondere die Auswahl zuverlässiger Hash-Funktionen und kryptografischer Systeme.

  • Implementierung: Wenn die Algorithmen gut sind und die Implementierung mangelhaft ist, ist das digitale Signatursystem wahrscheinlich fehlerhaft.

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


Elektronische Signaturen vs. digitale Signaturen

Digitale Signaturen beziehen sich auf eine bestimmte Art elektronischer Signaturen, die zu jeder elektronischen Methode zum Signieren von Dokumenten und Nachrichten gehören. Daher sind alle digitalen Signaturen elektronische Signaturen, aber nicht umgekehrt.

Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Authentifizierungsmethode. Digitale Signaturen nutzen kryptografische Systeme wie Hash-Funktionen, Public-Key-Kryptografie und Verschlüsselungstechniken.


Ergebnisse

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie sind das Herzstück digitaler Signatursysteme, die derzeit vielfältig eingesetzt werden. Bei richtiger Anwendung können digitale Signaturen die Sicherheit verbessern, die Integrität gewährleisten und die Authentifizierung aller Arten digitaler Daten erleichtern.

Im Blockchain-Bereich werden digitale Signaturen zum Signieren und Autorisieren von Kryptotransaktionen verwendet. 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 wir seit vielen Jahren sowohl elektronische als auch digitale Signaturen verwenden, gibt es noch Raum für Wachstum. Ein Großteil der heutigen Bürokratie basiert immer noch auf Papier, aber wir werden wahrscheinlich eine stärkere Akzeptanz digitaler Signaturen erleben, wenn wir zu einer stärker digitalen Art von Datenverarbeitungssystemen übergehen.