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

Vereinfacht ausgedrückt können wir eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der einer Nachricht oder einem Dokument beigefügt ist. Einmal generiert, dient es als Beweis dafür, dass die Nachricht auf ihrem Weg vom Absender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Das Konzept der Sicherung von Kommunikationskanälen mithilfe von Kryptografie reicht bis in die Antike zurück, und digital signierte Systeme entstanden erst in den 1970er Jahren mit der Entwicklung der Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln. Um zu lernen, wie eine digitale Signatur funktioniert, müssen wir daher zunächst die Grundlagen der Hash-Funktionen und der Public-Key-Kryptographie verstehen.


Hash-Funktionen

Hashing ist eines der Hauptelemente eines digitalen Signatursystems. Beim Hashing-Prozess werden Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe eines bestimmten Formats umgewandelt. Dies geschieht mithilfe eines speziellen Algorithmus, auch Hash-Funktionen genannt. Die von einer Hash-Funktion generierten Ausgabedaten werden Hash oder Message Digest genannt.

In Kombination mit Kryptografie können sogenannte kryptografische Hash-Funktionen verwendet werden, um einen Hash (Digest) zu generieren, der als eindeutige digitale Kennung fungiert. Das bedeutet, dass jede Änderung der Eingabe (Nachricht) zu einer völlig anderen Ausgabe (Hash) führt. Aus diesem Grund sind kryptografische Hash-Funktionen ein beliebtes Werkzeug zur Überprüfung der Authentizität digitaler Daten.


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptographie oder PKC (aus dem Englischen: Public-Key-Kryptographie) bezieht sich auf ein kryptografisches System, das ein Paar öffentlicher (öffentlicher) und privater (privater) Schlüssel verwendet. Die beiden mathematisch verwandten Schlüssel können sowohl zum Verschlüsseln von Daten als auch zum Erstellen einer digitalen Signatur verwendet werden.

Als Verschlüsselungstool ist PKC sicherer als sein symmetrisches Gegenstück. Während solche Legacy-Systeme denselben Schlüssel zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Informationen verwenden, können Sie mit PKC Daten mit einem öffentlichen Schlüssel verschlüsseln und sie ausschließlich mit dem entsprechenden privaten Schlüssel entschlüsseln.

Darüber hinaus kann die Public-Key-Kryptographie zur Generierung digitaler Signaturen verwendet werden. Im Kern besteht dieser Prozess darin, eine Nachricht (oder digitale Daten) zusammen mit dem privaten Schlüssel des Unterzeichners zu hashen. Der Empfänger der Nachricht kann dann die Gültigkeit der Signatur anhand des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen.

In einigen möglichen Implementierungen können digitale Signaturen eine Verschlüsselung beinhalten, was bedeutet, dass diese Funktionalität nicht dauerhaft funktioniert. Beispielsweise verwendet die Bitcoin-Blockchain auch Public-Key-Kryptografie und digitale Signaturen, aber entgegen der landläufigen Meinung gibt es in ihren Prozessen keine Verschlüsselung. Aus technischer Sicht verwendet Bitcoin zur Authentifizierung seiner Transaktionen den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithmus (ECDSA).


So funktioniert eine digitale Signatur

Im Zusammenhang mit Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem häufig aus drei Hauptphasen: Hashing, dem Signaturprozess selbst und seiner Überprüfung.

Daten-Hashing

Der erste Schritt besteht darin, die Nachricht oder digitalen Daten zu hashen. Dies geschieht durch die Verarbeitung der Informationen mithilfe eines Hashing-Algorithmus, um den Hash selbst (Message Digest) zu generieren. Wie bereits erwähnt, kann die Größe von Nachrichten stark variieren, aber sobald sie gehasht sind, haben alle Hashes die gleiche Länge. Dies ist eine der grundlegendsten Eigenschaften einer Hash-Funktion.

Das Hashing der Daten ist jedoch keine Voraussetzung für die Erstellung einer digitalen Signatur, da stattdessen ein privater Schlüssel zum Signieren der Nachricht verwendet werden kann. Bei Kryptowährungen werden die Daten jedoch immer gehasht, da die Arbeit mit Digests fester Länge den gesamten Informationsverarbeitungsprozess vereinfacht.

Unterschrift

Sobald die Daten gehasht wurden, muss der Absender der Nachricht sie signieren, und hier kommt die Public-Key-Kryptografie ins Spiel. Es gibt verschiedene Arten von Algorithmen für digitale Signaturen, von denen jeder über seinen eigenen einzigartigen Mechanismus verfügt. Die gehashte Nachricht wird jedoch in jedem Fall mit dem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger kann dann ihre Authentizität mithilfe des entsprechenden öffentlichen Schlüssels (vom Unterzeichner bereitgestellt) überprüfen.

Mit anderen Worten: Wenn der private Schlüssel bei der Signaturerstellung nicht einbezogen wird, kann der Empfänger der Nachricht den entsprechenden öffentlichen Schlüssel nicht zur Überprüfung der Gültigkeit der Nachricht verwenden. Da der öffentliche und der private Schlüssel vom Absender der Nachricht generiert werden, wird nur der öffentliche Schlüssel mit dem Empfänger geteilt.

Es ist zu beachten, dass digitale Signaturen in direktem Zusammenhang mit dem Inhalt jeder Nachricht stehen. Im Gegensatz zu handschriftlichen Signaturen, die im Allgemeinen unabhängig vom Kontext des Dokuments gleich sind, verfügt jede digital signierte Nachricht über eine völlig andere digitale Signatur-ID.

Überprüfung

Schauen wir uns dies anhand eines Beispiels an, um den gesamten Prozess bis zum letzten Schritt – der Inhaltsüberprüfung – besser zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Alice schreibt eine Nachricht an Bob, hasht sie und kombiniert dann den Hash mit ihrem privaten Schlüssel, um eine digitale Signatur zu erstellen. In diesem Fall fungiert die Signatur als eindeutige digitale Kennung dieser bestimmten Nachricht.

Wenn Bob die Nachricht erhält, kann er die digitale Signatur mithilfe des von Alice bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen. Auf diese Weise kann Bob überprüfen, ob die Signatur von ihr erstellt wurde, da sie die einzige ist, die den entsprechenden privaten Schlüssel besitzt (zumindest sollte es so sein).

Aus diesem Grund ist es für Alice äußerst wichtig, ihren privaten Schlüssel geheim zu halten. Wenn eine andere Person ihren privaten Schlüssel in Besitz nimmt, kann sie in ihrem Namen digitale Signaturen erstellen und Transaktionen durchführen. Im Kontext der ersten Kryptowährung bedeutet diese Situation, dass jemand Alices Bitcoins ohne ihre Erlaubnis bewegen oder ausgeben kann.


Warum sind digitale Signaturen wichtig?

Im Wesentlichen sollen digitale Signaturen drei Ziele erreichen: Datenintegrität, Authentifizierung und Nichtabstreitbarkeit.

  • Datenintegrität. Bob kann überprüfen, ob sich Alices Nachricht unterwegs nicht geändert hat. Die Folge jeglicher Änderungen in der Nachricht ist die Generierung einer völlig anderen Signatur.

  • Authentifizierung. Solange Alices privater Schlüssel geheim gehalten wird, kann Bob mit ihrem öffentlichen Schlüssel überprüfen, ob die digitalen Signaturen von Alice und niemand anderem erstellt wurden.

  • Unbestreitbarkeit. Sobald die Signatur erstellt wurde, kann Alice ihre Beziehung dazu in Zukunft nicht mehr leugnen, es sei denn, ihr privater Schlüssel wurde auf irgendeine Weise kompromittiert.


Anwendungsfälle

Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten digitaler Dokumente und Zertifikate angewendet werden. Sie haben also mehrere Verwendungszwecke. Zu den häufigsten Anwendungsfällen gehören:

  • Informationstechnologie. Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.

  • Finanzen. Umsetzung in Prüfungen, Spesenabrechnungen, Kreditverträgen und vielen anderen Finanzdokumenten.

  • Rechtliche Fragen. Verwendung in allen Arten von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich Regierungsdokumenten.

  • Gesundheitspflege. Verhinderung von Betrug bei Verschreibungen und Krankenakten.

  • Blockchain. Das digitale Signatursystem stellt sicher, dass nur rechtmäßige Besitzer der Kryptowährung eine Transaktion für den weiteren Geldtransfer signieren können (es sei denn, der private Schlüssel des Besitzers wurde kompromittiert).


Mängel

Die Hauptprobleme, die bei dieser Technologie auftreten können, hängen von mindestens drei Komponenten ab:

  • Algorithmus. Die Qualität der zur Generierung einer digitalen Signatur verwendeten Algorithmen ist äußerst wichtig. Dazu gehört die Auswahl starker Hash-Funktionen und kryptografischer Systeme.

  • Durchführung. Wenn die Algorithmen korrekt funktionieren und die Integration der digitalen Signaturtechnologie nicht vollständig gelungen ist, wird das System höchstwahrscheinlich eine Reihe von Mängeln aufweisen.

  • Privater Schlüssel. Wenn private Schlüssel aus irgendeinem Grund verloren gehen oder kompromittiert werden, werden die Authentifizierungs- und Nichtabstreitbarkeitseigenschaften ungültig. Für Benutzer von Kryptowährungen kann der Verlust ihres privaten Schlüssels zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.


Elektronische Signatur vs. digital

Einfach ausgedrückt beziehen sich digitale Signaturen auf eine bestimmte Art elektronischer Signatur sowie auf jede Methode zum elektronischen Signieren von Dokumenten und Nachrichten. Somit sind alle digitalen Signaturen eine Unterart der elektronischen Signaturen, aber in umgekehrter Reihenfolge wird dieser Ausdruck nicht immer korrekt sein.

Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Authentifizierungsmethode. Digitale Signaturen verwenden kryptografische Systeme wie Hash-Funktionen, Kryptografie mit öffentlichen Schlüsseln und Verschlüsselungsmethoden.


Abschluss

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptographie bilden die Grundlage digitaler Signatursysteme, die mittlerweile für vielfältige Anwendungen geeignet sind. Bei korrekter Implementierung können digitale Signaturen die Sicherheit verbessern, die Integrität gewährleisten und die Authentifizierung aller Arten digitaler Daten erleichtern.

Im Bereich der Blockchain-Technologien werden digitale Signaturen zur Autorisierung und Signierung von Kryptowährungstransaktionen verwendet. Besonders wichtig ist diese Technologie bei Bitcoins, da Signaturen als Garantie dafür dienen, dass Coins nur von denen ausgegeben werden können, die über die entsprechenden privaten Schlüssel verfügen.

Obwohl wir seit Jahren sowohl elektronische als auch digitale Signaturen verwenden, gibt es immer noch Raum für Verbesserungen. Ein großer Teil der heutigen Bürokratie basiert immer noch auf Papier, aber mit der Umstellung auf digitale Datenverarbeitungssysteme werden wir wahrscheinlich eine stärkere Akzeptanz digitaler Signaturen erleben.