Цифровые подписи — это криптографические механизмы, используемые для проверки подлинности и целостности чисел и данных. Мы можем думать об этом как о цифровой версии традиционного метода рукописной подписи, и он более сложен и безопасен, чем подписи.
Короче говоря, мы можем понимать цифровую подпись как код, прикрепленный к сообщению или документу. Созданная цифровая подпись служит доказательством того, что сообщение не было подделано во время его пути от отправителя к получателю.
Хотя концепция использования криптографии для защиты конфиденциальности сообщений зародилась еще в древние времена, схемы цифровой подписи стали реальностью только в 1970-х годах с развитием криптографии с открытым ключом (PKC). Итак, чтобы понять, как работают цифровые подписи, нам сначала нужно понять основы хэш-функций и криптографии с открытым ключом.
хэш-функция
Хеширование является одним из основных элементов цифровых подписей. Процесс работы с хеш-значением относится к преобразованию данных любой длины в фиксированную длину. Это достигается с помощью специальной операции, называемой хэш-функцией. Значение, сгенерированное хеш-функцией, называется хеш-значением или дайджестом сообщения.
Когда хеш-значение объединяется с криптографическим алгоритмом, который использует криптографическую хэш-функцию для генерации хэш-значения (дайджеста), это значение действует как уникальный цифровой отпечаток пальца. Это означает, что любое изменение входных данных (сообщения) приведет к совершенно другому выходному значению (хеш-значению). Вот почему криптографические хэш-функции широко используются для проверки подлинности чисел и 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. Эти два ключа математически связаны и могут использоваться для шифрования данных и цифровых подписей.
Как инструмент шифрования PKC имеет более высокий уровень безопасности, чем симметричное шифрование. Системы симметричного шифрования полагаются на один и тот же ключ для шифрования и дешифрования информации, но PKC использует открытый ключ для шифрования данных и соответствующий закрытый ключ для расшифровки данных.
В дополнение к этому PKC также можно применять для создания цифровых подписей. По сути, этот процесс предполагает, что отправитель шифрует хэш сообщения (данных) с помощью своего собственного закрытого ключа. Далее получатель сообщения может проверить, действительна ли цифровая подпись, используя открытый ключ, предоставленный подписывающей стороной.
В некоторых случаях сама цифровая подпись может включать шифрование, но не всегда. Например, блокчейн Биткойна использует PKC и цифровые подписи, и, в отличие от мнения большинства людей, в этом процессе нет шифрования. Технически говоря, Биткойн, в свою очередь, использует так называемый алгоритм цифровой подписи на основе эллиптической кривой (ECDSA) для проверки транзакций.
Как работают цифровые подписи
В контексте криптовалюты система цифровой подписи обычно состоит из трех основных процессов: хеширования, подписания и проверки.
Хешировать данные
Первым шагом является хеширование сообщения или данных. Это делается путем обработки данных с использованием алгоритма хеширования для создания хеш-значения (т. е. дайджеста сообщения). Как упоминалось выше, сообщения могут сильно различаться по длине, но когда сообщения хешируются, их хеш-значения имеют одинаковую длину. Это самое основное свойство хэш-функций.
Однако простое хеширование сообщения не является необходимым для создания цифровой подписи, поскольку сообщения, которые не были хешированы, также могут быть зашифрованы с использованием закрытого ключа. Но для криптовалюты сообщения должны обрабатываться хеш-функцией, поскольку обработка хеш-значений фиксированной длины помогает запускать программы криптовалюты.
знак
После хеширования информации отправитель сообщения должен подписать свое сообщение. Здесь используется криптография с открытым ключом. Существует несколько типов алгоритмов цифровой подписи, каждый из которых имеет свой уникальный механизм работы. По сути, хешированное сообщение (значение хеш-функции) подписывается с использованием закрытого ключа, и получатель сообщения может затем проверить его достоверность с помощью соответствующего открытого ключа (предоставленного подписывающей стороной).
Другими словами, если при создании подписи не используется закрытый ключ, получатель сообщения не сможет использовать соответствующий открытый ключ для проверки его действительности. И открытый, и закрытый ключи генерируются отправителем сообщения, но получателю передается только открытый ключ.
Важно отметить, что цифровые подписи связаны с содержимым каждого сообщения. Поэтому, в отличие от рукописных подписей, цифровые подписи для каждого сообщения разные.
проверять
Давайте рассмотрим пример, чтобы проиллюстрировать весь процесс, от начала до финального этапа проверки. Предположим, что Алиса отправляет сообщение Бобу, хеширует сообщение до хеш-значения, а затем объединяет хэш-значение со своим закрытым ключом для создания цифровой подписи. Цифровая подпись будет служить уникальным цифровым отпечатком 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 только у нее есть закрытый ключ, соответствующий открытому ключу (по крайней мере, мы так предполагали).
Поэтому Алисе важно хранить свой закрытый ключ в безопасности. Если другой человек получит закрытый ключ Алисы, он также сможет создать цифровую подпись и выдать себя за Алису. В контексте Биткойна это означает, что кто-то имеет доступ к закрытым ключам Алисы и может передавать или использовать ее Биткойны без ее ведома.
Почему цифровые подписи важны?
Цифровые подписи обычно используются для достижения трех целей: целостности данных, аутентификации и неотказуемости.
Целостность данных. Боб может проверить, было ли подделано сообщение Алисы. Любые изменения в сообщении приведут к созданию совершенно другой цифровой подписи.
Подлинность. Пока Алиса хранит свой закрытый ключ в безопасности, Боб может использовать ее открытый ключ, чтобы подтвердить, что цифровая подпись была создана самой Алисой, а не кем-то другим.
Неотречение. После создания подписи Алиса не может отказаться от подписания этой подписи в будущем, если только ее закрытый ключ не будет каким-либо образом скомпрометирован.
Случай
Цифровые подписи можно применять к различным цифровым документам и сертификатам. Поэтому у них есть несколько применений. Некоторые из наиболее распространенных случаев включают в себя:
информационные технологии. Повышение безопасности систем Интернет-коммуникаций.
финансы. Цифровые подписи можно применять к аудиту, финансовым отчетам, кредитным соглашениям и т. д.
закон. Цифровые подписи можно применять к различным деловым контрактам и юридическим соглашениям, включая правительственные документы.
здравоохранение. Цифровые подписи предотвращают мошенничество с рецептами и медицинскими записями.
Блокчейн. Схемы цифровой подписи гарантируют, что только законный владелец криптовалюты может подписывать транзакции и перемещать средства (при условии, что его личные ключи не будут скомпрометированы).
ограничение
Основные проблемы, с которыми сталкиваются схемы цифровой подписи, в основном ограничиваются следующими тремя факторами:
алгоритм. К алгоритмам, используемым в схемах цифровой подписи, предъявляются высокие требования к качеству. К ним относится выбор надежных хэш-функций и систем шифрования.
выполнение. Если алгоритм завершен, но нет хорошего плана реализации, система цифровой подписи также может таить в себе скрытые опасности.
закрытый ключ. Если закрытый ключ каким-либо образом утерян или скомпрометирован, подлинность и неотказуемость не гарантируются. Для пользователей криптовалюты потеря приватных ключей может обернуться значительными финансовыми потерями.
Электронные подписи и цифровые подписи
Короче говоря, под цифровой подписью можно понимать особый тип электронной подписи, который подразумевает использование электронных средств для подписания документов и сообщений. Следовательно, все цифровые подписи можно считать электронными подписями, но не наоборот.
Основное различие между ними заключается в методе аутентификации. Цифровые подписи требуют развертывания криптографических систем, таких как хеш-функции, криптография с открытым ключом и методы шифрования.
Подведем итог
Хэш-функции и криптография с открытым ключом лежат в основе систем цифровой подписи и в настоящее время используются во многих случаях. При правильном внедрении цифровые подписи могут повысить безопасность, обеспечить целостность и облегчить аутентификацию всех типов данных.
В мире блокчейна цифровые подписи используются для подписания и авторизации транзакций криптовалюты. Они особенно важны для Биткойна, поскольку цифровые подписи гарантируют, что токен может использоваться только кем-то, имеющим соответствующий закрытый ключ.
Хотя мы уже много лет используем электронные и цифровые подписи, нам еще есть куда расти. Сегодня большинство официальных документов по-прежнему основаны на бумажных материалах, но по мере того, как все больше систем переходят на цифровые технологии, мы увидим больше решений для цифровой подписи.
