Цифровая подпись — это механизм шифрования, используемый для проверки подлинности и целостности цифровых данных. Мы можем рассматривать его как цифровую версию обычных рукописных подписей, но с более высоким уровнем сложности и безопасности.

Кратко мы можем описать цифровую подпись как код, прикрепленный к сообщению или документу. После создания код служит доказательством того, что сообщение не было подделано на пути от отправителя к получателю.

Хотя концепция защиты коммуникаций с использованием криптографии зародилась еще в древние времена, системы цифровой подписи стали возможной реальностью в 1970-х годах — благодаря развитию криптографии с открытым ключом (PKC). Поэтому, чтобы узнать, как работают цифровые подписи, нам сначала необходимо понять основы хэш-функций и криптографии с открытым ключом.


Хэш-функции

Хэш-функции являются одним из основных элементов систем цифровой подписи. Процесс хеширования включает преобразование данных любого размера в данные фиксированного размера. Это делается с помощью особого типа алгоритмов, известных как хеш-функции. Выходные данные, генерируемые хэш-функцией, известны как хеш-значения.

В сочетании с криптографией можно использовать так называемые криптографические хеш-функции для генерации хэш-значения, которое служит уникальным отпечатком пальца. Это означает, что любое изменение входных данных (сообщения) приведет к совершенно другому хешу. 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 криптографической системе, в которой используется пара ключей: открытый ключ и закрытый ключ (открытый ключ и закрытый ключ). Эти два ключа математически связаны и могут использоваться как для шифрования данных, так и для цифровых подписей.

Как инструмент шифрования система PKC более безопасна, чем более простые методы симметричного шифрования. В то время как более старые системы используют один и тот же ключ для шифрования и дешифрования информации, PKC позволяет шифровать данные с помощью открытого ключа и расшифровывать с помощью соответствующего закрытого ключа.

Кроме того, схема PKC также может применяться для создания цифровых подписей. Этот процесс состоит из отправки сообщения (или цифровых данных) вместе с закрытым ключом отправителя через хеш-функцию. Затем получатель сообщения может проверить действительность подписи, используя открытый ключ, предоставленный отправителем.

В некоторых ситуациях цифровые подписи могут включать шифрование, но это не всегда так. Например, блокчейн Биткойна использует цифровые подписи и PKC, но, вопреки мнению многих, в этом процессе нет шифрования. Технически Биткойн реализует так называемый алгоритм цифровой подписи на основе эллиптической кривой (ECDSA) для аутентификации транзакций.


Как работают цифровые подписи

В контексте криптовалют система цифровой подписи обычно состоит из трех основных этапов: хеширование, подписание и проверка.

Хеширование

Первым шагом является хеширование сообщения или цифровых данных. Это делается с помощью алгоритма хеширования, который преобразует данные в хеш-значение. Как уже упоминалось, сообщения могут существенно различаться по размеру, но когда они подвергаются процессу хеширования, все значения хеш-функции имеют одинаковый размер. Это основное свойство хэш-функции.

Однако хеширование данных не является обязательным для создания цифровой подписи, поскольку можно использовать закрытый ключ для подписи сообщения, которое не подвергалось хэш-функции. Однако в случае с криптовалютами сообщения всегда преобразуются в хэши, поскольку фиксированный размер хэш-значений облегчает весь процесс.

Подпись

Как только информация преобразуется в хэш-значения, отправитель сообщения должен подписать ее. Это момент, когда на сцену выходит криптография с открытым ключом. Существует несколько типов алгоритмов цифровой подписи, каждый из которых имеет свой механизм. Но обычно сообщение будет подписано закрытым ключом, и получатель сообщения сможет проверить его достоверность с помощью соответствующего открытого ключа (предоставленного отправителем).

Другими словами, если закрытый ключ не включен при создании подписи, получатель сообщения не сможет использовать соответствующий открытый ключ для проверки действительности подписи и сообщения. Открытый и закрытый ключи генерируются отправителем сообщения, но получателю передается только открытый ключ.

Стоит отметить, что цифровые подписи напрямую связаны с содержанием каждого сообщения. Таким образом, в отличие от рукописных подписей, которые обычно одинаковы независимо от сообщения, каждое сообщение с цифровой подписью будет иметь разную цифровую подпись.

Проверка

Давайте воспользуемся примером, чтобы проиллюстрировать весь процесс до заключительного этапа проверки. Представьте, что Алиса написала сообщение Бобу, сгенерировала хэш-значение сообщения и объединила его со своим закрытым ключом для создания цифровой подписи. Подпись будет действовать как уникальный отпечаток пальца, эксклюзивный для этого 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 этому открытому ключу (по крайней мере, мы на это надеемся).

Поэтому крайне важно, чтобы Алиса хранила свой закрытый ключ в секрете. Если кто-то другой получит доступ к закрытому ключу Алисы, он сможет создать поддельные цифровые подписи от имени Алисы. 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 достижения трех результатов: целостности данных, аутентификации и неотказуемости.

  • Целостность данных. Боб может убедиться, что сообщение Алисы не изменилось. Любая модификация сообщения приведет к созданию 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 она подписала ее в будущем, если только ее закрытый ключ не будет каким-либо образом скомпрометирован.


Варианты использования

Цифровые подписи могут применяться к различным типам документов и цифровых сертификатов. Поэтому у них есть несколько возможных применений. Некоторые из наиболее распространенных случаев использования включают в себя:  

  • Информационные технологии. Повысить безопасность систем Интернет-коммуникаций.

  • Финансы. Цифровые подписи можно использовать в аудитах, отчетах о расходах, кредитных соглашениях и т. д.

  • Используйте это круто. Цифровые подписи для всех типов деловых контрактов и юридических соглашений, включая государственные документы.

  • Системы здравоохранения. Цифровые подписи могут предотвратить мошенничество с рецептами и медицинскими записями.

  • Блокчейн. Схемы цифровой подписи гарантируют, что только законные владельцы криптовалют могут подписать транзакцию по переводу денег (при условии, что их личные ключи не будут скомпрометированы).


Ограничения

Основные проблемы, с которыми сталкиваются схемы цифровой подписи, связаны как минимум с тремя факторами: 

  • Алгоритм. Важное значение имеет качество алгоритмов, используемых в схеме цифровой подписи. Это включает в себя выбор надежных хэш-функций и надежных систем шифрования.

  • Выполнение. Даже если алгоритмы хороши, плохая реализация, скорее всего, приведет к сбоям в системе цифровой подписи.

  • Закрытый ключ. Если секретные ключи каким-либо образом скомпрометированы, свойства подлинности и неопровержимости будут признаны недействительными. Для пользователей криптовалюты потеря закрытого ключа может обернуться значительными финансовыми потерями.


Электронные и электронные подписи цифровые подписи

Короче говоря, цифровые подписи относятся к определенному типу электронных подписей, которые относятся к любому электронному методу подписания документов и сообщений. Следовательно, все цифровые подписи являются электронными подписями, но не всегда верно обратное.

Основное различие между двумя системами заключается в методе аутентификации. В цифровых подписях используются криптографические системы, такие как хеш-функции, криптография с открытым ключом и методы шифрования.


Заключительные соображения

Хэш-функции и система PKC являются важнейшими элементами схем цифровой подписи, которые сейчас применяются в самых разных ситуациях. При правильном внедрении цифровые подписи могут повысить безопасность, обеспечить целостность и облегчить аутентификацию всех типов цифровых данных.

В мире блокчейна цифровые подписи используются для подписания и авторизации транзакций криптовалюты. Они особенно важны для Биткойна, поскольку подписи гарантируют, что монеты могут использоваться только лицами, обладающими соответствующими закрытыми ключами.

Хотя мы уже много лет используем электронные и цифровые подписи, нам еще есть куда расти. Большая часть сегодняшней бюрократии по-прежнему основана на бумажных документах, но мы, вероятно, увидим большее распространение схем цифровой подписи по мере перехода к более цифровой системе.