Podpis cyfrowy to mechanizm kryptograficzny służący do weryfikacji autentyczności i integralności danych cyfrowych. Możemy o tym myśleć jak o cyfrowej wersji zwykłych podpisów odręcznych, ale o wyższym poziomie złożoności i bezpieczeństwa.
Dla uproszczenia podpis cyfrowy możemy opisać jako kod dołączony do wiadomości lub dokumentu. Po wygenerowaniu kod stanowi dowód, że wiadomość nie została w żaden sposób zmodyfikowana pomiędzy nadawcą a odbiorcą.
Chociaż koncepcja zabezpieczania komunikacji za pomocą kryptografii ma długą historię w historii ludzkości, systemy podpisu cyfrowego stały się rzeczywistością w latach 70. XX wieku – dzięki rozwojowi kryptografii klucza publicznego (PKC). Aby wiedzieć, jak działają podpisy cyfrowe, musimy najpierw zrozumieć podstawy funkcji skrótu i kryptografii klucza publicznego.
Funkcje skrótu
Hash stanowi jeden z głównych elementów systemu podpisu cyfrowego. Proces mieszania polega na przekształcaniu danych o dowolnym rozmiarze w dane wyjściowe o wcześniej określonym rozmiarze. Osiąga się to za pomocą specjalnego typu algorytmu zwanego funkcją skrótu. Dane wyjściowe generowane przez funkcję skrótu nazywane są wartością skrótu lub odciskiem palca.
W połączeniu z kryptografią funkcja skrótu kryptograficznego może służyć do generowania wartości skrótu (odcisku palca), która działa jak unikalny cyfrowy odcisk palca. Oznacza to, że jakakolwiek zmiana danych wejściowych (komunikatu) spowoduje zupełnie inny wynik (wartość skrótu). Z tego powodu kryptograficzne funkcje skrótu są szeroko stosowane w celu weryfikacji autentyczności danych cyfrowych.
Kryptografia klucza publicznego (PKC)
Kryptografia klucza publicznego (PKC) odnosi się do systemu kryptograficznego wykorzystującego parę kluczy: klucz publiczny i klucz prywatny. Te dwa klucze są matematycznie skorelowane i można ich używać zarówno do szyfrowania danych, jak i do podpisów cyfrowych.
Jako narzędzie szyfrujące PKC jest bezpieczniejsze niż bardziej podstawowe metody szyfrowania symetrycznego. Podczas gdy starsze systemy korzystają z tego samego klucza do szyfrowania i odszyfrowywania informacji, PKC umożliwia szyfrowanie danych kluczem publicznym i odszyfrowywanie tych danych odpowiednim kluczem prywatnym.
Oprócz tego schemat PKC można zastosować także przy generowaniu podpisów cyfrowych. Zasadniczo proces ten polega na mieszaniu wiadomości (lub danych cyfrowych) z kluczem prywatnym osoby podpisującej. Następnie odbiorca wiadomości może sprawdzić, czy podpis jest ważny, korzystając z klucza publicznego dostarczonego przez osobę podpisującą.
W niektórych sytuacjach podpisy cyfrowe mogą obejmować szyfrowanie, ale nie zawsze tak jest. Na przykład łańcuch bloków Bitcoin wykorzystuje PKC i podpisy cyfrowe, ale wbrew temu, w co wielu ludzi wierzy, nie ma w tym procesie żadnego szyfrowania. Technicznie rzecz biorąc, Bitcoin wdraża algorytm podpisu cyfrowego krzywej eliptycznej (ECDSA) w celu uwierzytelniania transakcji.
Jak działają podpisy cyfrowe
W kontekście kryptowalut system podpisu cyfrowego często składa się z trzech podstawowych etapów: mieszania, podpisywania i weryfikacji.
Haszowanie danych
Pierwszym krokiem jest hashowanie wiadomości lub danych cyfrowych. To drugie osiąga się poprzez poddanie danych algorytmowi hashowania w celu wygenerowania wartości skrótu (tj. podsumowania wiadomości). Jak wspomniano, wiadomości mogą znacznie różnić się rozmiarem, ale po zahaszowaniu wszystkie ich wartości skrótu mają ten sam rozmiar. Jest to najbardziej podstawowa właściwość funkcji skrótu.
Jednakże zaszyfrowanie danych nie jest obowiązkowym warunkiem złożenia podpisu cyfrowego, ponieważ do podpisania wiadomości można użyć klucza prywatnego bez jego zaszyfrowania. Jeśli chodzi o kryptowaluty, dane są systematycznie haszowane, ponieważ manipulowanie odciskami palców, których rozmiar jest stały i niezmienny, ułatwia ten proces.
Podpis
Po zaszyfrowaniu informacji nadawca wiadomości musi ją podpisać. W tym miejscu do gry wchodzi kryptografia klucza publicznego. Istnieje kilka typów algorytmów podpisu cyfrowego, każdy z własnym mechanizmem. Jednak ogólnie rzecz biorąc, zaszyfrowana wiadomość zostanie podpisana kluczem prywatnym, a odbiorca wiadomości będzie mógł następnie zweryfikować jej ważność za pomocą odpowiedniego klucza publicznego (dostarczonego przez osobę podpisującą).
Oznacza to, że jeśli klucz prywatny nie zostanie uwzględniony podczas generowania podpisu, odbiorca wiadomości nie będzie mógł użyć odpowiedniego klucza publicznego do sprawdzenia jego ważności. Klucze publiczny i prywatny są generowane przez nadawcę wiadomości, ale tylko klucz publiczny jest udostępniany odbiorcy.
Należy pamiętać, że podpisy cyfrowe są bezpośrednio powiązane z treścią każdej wiadomości. Zatem w przeciwieństwie do podpisów odręcznych, które zwykle są takie same niezależnie od wiadomości, do której są dołączone, każda wiadomość podpisana cyfrowo będzie miała inny podpis cyfrowy.
Weryfikacja
Weźmy przykład ilustrujący cały proces aż do końcowego etapu weryfikacji. Wyobraź sobie, że Alicja pisze wiadomość do Boba, szyfruje ją, a następnie łączy wartość skrótu ze swoim kluczem prywatnym, aby wygenerować podpis cyfrowy. Podpis będzie pełnił funkcję unikalnego cyfrowego odcisku palca dla tej konkretnej wiadomości.
Kiedy Bob odbierze wiadomość, może zweryfikować ważność podpisu cyfrowego za pomocą klucza publicznego dostarczonego przez Alicję. W ten sposób Bob może mieć pewność, że podpis został utworzony przez Alicję, ponieważ jako jedyna posiada klucz prywatny pasujący do tego klucza publicznego (przynajmniej tego oczekuje Bob).
Dlatego ważne jest, aby Alicja zachowała swój klucz prywatny w tajemnicy. Jeśli ktoś inny zdobędzie klucz prywatny Alicji, będzie mógł tworzyć podpisy cyfrowe i udawać, że jest Alicją. W kontekście Bitcoina oznacza to, że ktoś może użyć klucza prywatnego Alicji do przeniesienia lub wydania jej Bitcoinów bez jej zgody.
Dlaczego podpisy cyfrowe są ważne?
Podpisy cyfrowe są często wykorzystywane do trzech celów, jakie osiągają ich właściwości: integralności danych, uwierzytelniania i niezaprzeczalności.
Integralność danych. Bob może sprawdzić, czy wiadomość Alicji nie została zmodyfikowana pomiędzy wysłaniem i otrzymaniem. Jakakolwiek zmiana w wiadomości spowodowałaby zupełnie inny podpis.
Autentyczność. Dopóki klucz prywatny Alicji pozostaje tajemnicą, Bob może użyć swojego klucza publicznego, aby potwierdzić, że podpisy cyfrowe zostały utworzone przez Alicję i nikogo innego.
Niezaprzeczalność. Po wygenerowaniu podpisu Alicja nie będzie mogła w przyszłości zaprzeczyć, że go zastosowała, chyba że jej klucz prywatny zostanie w jakiś sposób naruszony.
Przypadków użycia
Podpisy cyfrowe można stosować do różnych typów dokumentów cyfrowych i certyfikatów. Jako takie mają kilka zastosowań. Niektóre z najczęstszych przypadków użycia obejmują:
Technologie Informacyjne, mające na celu poprawę bezpieczeństwa systemów komunikacji internetowej.
Finanse. Podpisy cyfrowe można wdrożyć na potrzeby audytów, raportów wydatków, umów pożyczek i nie tylko.
Prawny. Cyfrowe podpisywanie wszelkiego rodzaju umów między przedsiębiorstwami i umów prawnych. To samo dotyczy dokumentów rządowych.
Zakład Ubezpieczeń Społecznych. Podpisy cyfrowe mogą zapobiegać oszustwom związanym z receptami i dokumentacją medyczną.
Blockchain. Podpisy cyfrowe zapewniają, że tylko prawowity właściciel środków może podpisać transakcję (o ile jego klucze prywatne nie zostaną naruszone).
Ograniczenia
Główne wyzwania stojące przed systemami podpisu cyfrowego zależą od co najmniej trzech wymagań:
Algorytm. Jakość algorytmów stosowanych w schemacie podpisu cyfrowego jest ważna. Obejmuje to wybór niezawodnych funkcji skrótu i systemów kryptograficznych.
Realizacja. Jeśli algorytmy są dobre, ale implementacja nie, system podpisu cyfrowego prawdopodobnie będzie miał wady.
Prywatny klucz. Jeśli klucze prywatne wyciekną lub zostaną w jakikolwiek sposób naruszone, właściwości autentyczności i niezaprzeczalności zostaną unieważnione. Dla użytkowników kryptowalut utrata klucza prywatnego może skutkować znacznymi stratami finansowymi.
Podpisy elektroniczne a podpisy cyfrowe
Krótko mówiąc, podpisy cyfrowe to specjalny rodzaj podpisu elektronicznego — który odnosi się do dowolnej elektronicznej metody podpisywania dokumentu lub wiadomości. Dlatego wszystkie podpisy cyfrowe są podpisami elektronicznymi, ale sytuacja odwrotna nie jest systematycznie prawdziwa.
Główną różnicą między nimi jest metoda uwierzytelniania. Podpisy cyfrowe wykorzystują systemy kryptograficzne, takie jak funkcje skrótu, kryptografia klucza publicznego, a także techniki szyfrowania.
Podsumowując
Funkcje skrótu i kryptografia klucza publicznego stanowią serce systemów podpisów cyfrowych, które są obecnie stosowane w szerokim zakresie zastosowań. Prawidłowo wdrożone podpisy cyfrowe mogą zwiększyć bezpieczeństwo, zapewnić integralność i ułatwić uwierzytelnianie wszystkich typów danych cyfrowych.
W blockchainie podpisy cyfrowe służą do podpisywania i autoryzacji transakcji kryptowalutowych. Są one szczególnie ważne dla Bitcoina, ponieważ podpisy zapewniają, że monety mogą wydawać wyłącznie osoby posiadające odpowiednie klucze prywatne.
Choć są one stosowane od lat, w dziedzinie podpisów cyfrowych i elektronicznych nadal pozostaje wiele do zrobienia. Duża część dzisiejszej biurokracji w dalszym ciągu opiera się na korzystaniu z papieru, ale prawdopodobne jest, że w miarę zbliżania się do coraz bardziej cyfrowego społeczeństwa będziemy świadkami powszechnego stosowania podpisów cyfrowych.
