Цифровая подпись — это криптографический механизм, используемый для проверки подлинности и целостности цифровых данных. Мы можем думать об этом как о цифровой версии обычных рукописных подписей, но с более высоким уровнем сложности и безопасности.
Для упрощения мы можем описать цифровую подпись как код, прикрепленный к сообщению или документу. После создания код служит доказательством того, что сообщение не было каким-либо образом подделано между отправителем и получателем.
Хотя концепция защиты коммуникаций с использованием криптографии уходит в историю человечества довольно давно, системы цифровой подписи стали реальностью в 1970-х годах – благодаря развитию криптографии с открытым ключом (PKC). Чтобы узнать, как работают цифровые подписи, нам сначала необходимо понять основы хэш-функций и криптографии с открытым ключом.
Хэш-функции
Хэш представляет собой один из основных элементов системы цифровой подписи. Процесс хеширования включает преобразование данных любого размера в выходные данные заранее определенного размера. Это достигается с помощью специального типа алгоритма, известного как хэш-функция. Выходные данные, генерируемые хэш-функцией, известны как хэш-значение или отпечаток пальца.
В сочетании с криптографией криптографическая хеш-функция может использоваться для генерации хеш-значения (отпечатка пальца), которое действует как уникальный цифровой отпечаток пальца. Это означает, что любое изменение входных данных (сообщения) приведет к совершенно другому выводу (хеш-значению). Именно по этой причине криптографические хэш-функции широко используются для проверки подлинности цифровых данных.
Криптография с открытым ключом (PKC)
Криптография с открытым ключом, или PKC, относится к системе шифрования, в которой используется пара ключей: открытый ключ и закрытый ключ. Два ключа математически коррелируют и могут использоваться как для шифрования данных, так и для цифровых подписей.
Как инструмент шифрования PKC более безопасен, чем более простые методы симметричного шифрования. В то время как старые системы используют один и тот же ключ для шифрования и дешифрования информации, PKC позволяет шифровать данные с помощью открытого ключа и расшифровывать эти данные с помощью соответствующего закрытого ключа.
Помимо этого, схема PKC также может применяться при создании цифровых подписей. По сути, этот процесс включает хеширование сообщения (или цифровых данных) с помощью закрытого ключа подписывающего лица. Затем получатель сообщения может проверить, действительна ли подпись, используя открытый ключ, предоставленный подписывающей стороной.
В некоторых ситуациях цифровые подписи могут включать шифрование, но это не всегда так. Например, блокчейн Биткойна использует PKC и цифровые подписи, но вопреки тому, что многие люди склонны считать, в этом процессе нет никакого шифрования. Технически Биткойн использует алгоритм цифровой подписи на основе эллиптической кривой (ECDSA) для аутентификации транзакций.
Как работают цифровые подписи
В контексте криптовалют система цифровой подписи часто состоит из трех основных этапов: хеширование, подписание и проверка.
Хеширование данных
Первым шагом является хеширование сообщения или цифровых данных. Последнее достигается путем обработки данных с помощью алгоритма хеширования, в результате чего генерируется хеш-значение (т. е. краткое изложение сообщения). Как уже упоминалось, сообщения могут существенно различаться по размеру, но когда они хешируются, все их хэш-значения имеют одинаковый размер. Это самое фундаментальное свойство хеш-функции.
Однако хеширование данных не является обязательным условием для создания цифровой подписи, поскольку для подписи сообщения можно использовать закрытый ключ без его хеширования. Что касается криптовалют, данные систематически хэшируются, поскольку манипулирование отпечатками пальцев, размер которых фиксирован и неизменен, облегчает этот процесс.
Подпись
После хеширования информации отправитель сообщения должен его подписать. Здесь в игру вступает криптография с открытым ключом. Существует несколько типов алгоритмов цифровой подписи, каждый из которых имеет свой собственный механизм. Но вообще говоря, хешированное сообщение будет подписано закрытым ключом, и получатель сообщения сможет затем проверить его достоверность, используя соответствующий открытый ключ (предоставленный подписывающим лицом).
То есть, если закрытый ключ не включен при создании подписи, получатель сообщения не сможет использовать соответствующий открытый ключ для проверки его действительности. Открытый и закрытый ключи генерируются отправителем сообщения, но получателю передается только открытый ключ.
Важно отметить, что цифровые подписи напрямую связаны с содержанием каждого сообщения. Таким образом, в отличие от рукописных подписей, которые, как правило, одинаковы независимо от сообщения, к которому они прикреплены, каждое сообщение с цифровой подписью будет иметь другую цифровую подпись.
Проверка
Давайте рассмотрим пример, чтобы проиллюстрировать весь процесс до финального этапа проверки. Представьте, что Алиса пишет сообщение Бобу, хеширует его, а затем объединяет значение хеш-функции со своим закрытым ключом для создания цифровой подписи. Подпись будет функционировать как уникальный цифровой отпечаток пальца для этого конкретного сообщения.
Когда Боб получает сообщение, он может проверить достоверность цифровой подписи, используя открытый ключ, предоставленный Алисой. Таким образом, Боб может быть уверен, что подпись была создана Алисой, поскольку она единственная, у кого есть закрытый ключ, соответствующий этому открытому ключу (по крайней мере, именно этого ожидает Боб).
Поэтому для Алисы крайне важно хранить свой закрытый ключ в секрете. Если кто-то другой получит в свои руки закрытый ключ Алисы, этот человек сможет создавать цифровые подписи и притворяться Алисой. В контексте Биткойна это означает, что кто-то может использовать закрытый ключ Алисы для перемещения или траты ее биткойнов без ее разрешения.
Почему цифровые подписи важны?
Цифровые подписи часто используются для трех целей, которых достигают их свойства: целостность данных, аутентификация и неотказуемость.
Целостность данных. Боб может проверить, что сообщение Алисы не было изменено между отправкой и получением. Любое изменение сообщения приведет к совершенно другой подписи.
Подлинность. Пока закрытый ключ Алисы хранится в секрете, Боб может использовать свой открытый ключ, чтобы подтвердить, что цифровые подписи были созданы Алисой и никем другим.
Неотречение. Как только подпись будет сгенерирована, Алиса не сможет отрицать, что применила ее в будущем, если только ее закрытый ключ не будет каким-либо образом скомпрометирован.
Случаи использования
Цифровые подписи можно применять к различным типам цифровых документов и сертификатов. Таким образом, у них есть несколько применений. Некоторые из наиболее распространенных случаев использования включают в себя:
Информационные технологии, для повышения безопасности систем интернет-коммуникаций.
Финансы. Цифровые подписи можно использовать для аудита, отчетов о расходах, кредитных соглашений и многого другого.
Юридический. Цифровое подписание всех типов деловых контрактов и юридических соглашений. То же самое касается и государственных документов.
Социальное обеспечение. Цифровые подписи могут служить защитой от мошенничества с рецептами и медицинскими записями.
Блокчейн. Цифровые подписи гарантируют, что только законный владелец средств сможет подписать транзакцию (при условии, что его личные ключи не будут скомпрометированы).
Ограничения
Основные проблемы, стоящие перед системами цифровой подписи, зависят как минимум от трех требований:
Алгоритм. Важное значение имеет качество алгоритмов, используемых в схеме цифровой подписи. Это включает в себя выбор надежных хэш-функций и криптографических систем.
Выполнение. Если алгоритмы хороши, а реализация — нет, то система цифровой подписи, скорее всего, будет иметь недостатки.
Закрытый ключ. Если секретные ключи будут раскрыты или каким-либо образом скомпрометированы, свойства подлинности и неотказуемости будут признаны недействительными. Для пользователей криптовалюты потеря закрытого ключа может обернуться значительными финансовыми потерями.
Электронные подписи против цифровых подписей
Проще говоря, цифровые подписи — это особый тип электронной подписи, который относится к любому электронному методу подписания документа или сообщения. Следовательно, все цифровые подписи являются электронными подписями, но обратное не является системным.
Основное различие между ними заключается в методе аутентификации. Цифровые подписи используют криптографические системы, такие как хеш-функции, криптография с открытым ключом, а также методы шифрования.
Заключить
Хэш-функции и криптография с открытым ключом лежат в основе систем цифровой подписи, которые теперь применяются в широком спектре случаев использования. При правильной реализации цифровые подписи могут повысить безопасность, обеспечить целостность и облегчить аутентификацию всех типов цифровых данных.
В блокчейне цифровые подписи используются для подписания и авторизации транзакций криптовалюты. Они особенно важны для Биткойна, поскольку подписи гарантируют, что монеты могут быть потрачены только лицами, имеющими соответствующие закрытые ключи.
Хотя они используются уже много лет, в области цифровых и электронных подписей еще предстоит добиться значительного прогресса. Большая часть сегодняшней бюрократии по-прежнему опирается на использование бумаги, но вполне вероятно, что мы увидим широкое распространение цифровых подписей по мере продвижения к все более цифровому обществу.
