Цифровий підпис — це криптографічний механізм, який використовується для перевірки автентичності та цілісності цифрових даних. Ми можемо розглядати це як цифрову версію звичайних рукописних підписів, але з вищим рівнем складності та безпеки.
Щоб спростити, ми можемо описати цифровий підпис як код, прикріплений до повідомлення або документа. Після створення код служить доказом того, що повідомлення не було підроблено жодним чином між відправником і одержувачем.
Хоча концепція захисту комунікацій за допомогою криптографії сягає досить давно в історію людства, системи цифрового підпису стали реальністю в 1970-х роках – завдяки розробці криптографії з відкритим ключем (PKC). Щоб знати, як працюють цифрові підписи, нам спочатку потрібно зрозуміти основи хеш-функцій і криптографії з відкритим ключем.
Хеш-функції
Хеш є одним із основних елементів системи цифрового підпису. Процес хешування передбачає перетворення даних будь-якого розміру на вихід із заздалегідь визначеним розміром. Це досягається за допомогою спеціального типу алгоритму, відомого як хеш-функція. Результат, створений хеш-функцією, називається хеш-значенням або відбитком пальця.
У поєднанні з криптографією криптографічну хеш-функцію можна використовувати для створення хеш-значення (відбитка пальця), яке діє як унікальний цифровий відбиток. Це означає, що будь-яка зміна вхідних даних (повідомлення) призведе до зовсім іншого результату (геш-значення). Це причина, чому криптографічні хеш-функції широко використовуються для перевірки автентичності цифрових даних.
Криптографія з відкритим ключем (PKC)
Криптографія з відкритим ключем, або PKC, відноситься до системи криптографії, яка використовує пару ключів: відкритий ключ і закритий ключ. Два ключі математично пов’язані між собою і можуть використовуватися як для шифрування даних, так і для цифрових підписів.
Як інструмент шифрування PKC є більш безпечним, ніж рудиментарні методи симетричного шифрування. У той час як старі системи покладаються на той самий ключ для шифрування та дешифрування інформації, PKC дозволяє шифрувати дані за допомогою відкритого ключа та розшифровувати ці дані за допомогою відповідного закритого ключа.
Крім цього, схему PKC також можна застосовувати для генерації цифрових підписів. По суті, процес передбачає хешування повідомлення (або цифрових даних) із закритим ключем підписувача. Потім одержувач повідомлення може перевірити дійсність підпису за допомогою відкритого ключа, наданого підписувачем.
У деяких ситуаціях цифрові підписи можуть включати шифрування, але це не завжди так. Наприклад, блокчейн біткойн використовує PKC і цифрові підписи, але всупереч тому, що багато людей схильні вірити, у цьому процесі немає шифрування. Технічно біткойн розгортає алгоритм цифрового підпису еліптичної кривої (ECDSA) для автентифікації транзакцій.
Як працюють цифрові підписи
У контексті криптовалют система цифрового підпису часто складається з трьох основних етапів: хешування, підписання та перевірка.
Хешування даних
Першим кроком є хешування повідомлення або цифрових даних. Останнє досягається шляхом проходження даних через алгоритм хешування, щоб створити хеш-значення (тобто короткий виклад повідомлення). Як згадувалося, повідомлення можуть значно відрізнятися за розміром, але коли вони хешуються, усі їхні хеш-значення мають однаковий розмір. Це найбільш фундаментальна властивість хеш-функції.
Однак хешування даних не є обов’язковою умовою для створення цифрового підпису, оскільки приватний ключ можна використовувати для підпису повідомлення без його хешування. Що стосується криптовалют, дані систематично хешуються, оскільки маніпулювання відбитками пальців, розмір яких фіксований і незмінний, полегшує процес.
Підпис
Після хешування інформації відправник повідомлення повинен підписати його. Тут вступає в дію криптографія з відкритим ключем. Існує кілька типів алгоритмів цифрового підпису, кожен із яких має власний механізм. Але взагалі кажучи, хешоване повідомлення буде підписано закритим ключем, і одержувач повідомлення може перевірити його дійсність за допомогою відповідного відкритого ключа (наданого підписувачем).
Тобто, якщо закритий ключ не включено під час генерації підпису, одержувач повідомлення не зможе використовувати відповідний відкритий ключ для перевірки його дійсності. Відкритий і закритий ключі генеруються відправником повідомлення, але тільки відкритий ключ надається одержувачу.
Важливо зазначити, що цифрові підписи безпосередньо пов’язані зі змістом кожного повідомлення. Отже, на відміну від рукописних підписів, які, як правило, систематично однакові незалежно від повідомлення, до якого вони прикріплені, кожне повідомлення з цифровим підписом матиме інший цифровий підпис.
Перевірка
Розглянемо приклад, щоб проілюструвати весь процес аж до останнього етапу перевірки. Уявіть, що Аліса пише повідомлення Бобу, хешує його, а потім поєднує хеш-значення зі своїм особистим ключем для створення цифрового підпису. Підпис функціонуватиме як унікальний цифровий відбиток для цього конкретного повідомлення.
Коли Боб отримує повідомлення, він може перевірити дійсність цифрового підпису за допомогою відкритого ключа, наданого Алісою. Таким чином Боб може бути впевнений, що підпис створено Алісою, оскільки вона єдина, хто має приватний ключ, який відповідає цьому відкритому ключу (принаймні цього очікує Боб).
Тому для Аліси вкрай важливо зберігати свій особистий ключ у секреті. Якщо хтось інший отримає закритий ключ Аліси, ця особа зможе створити цифровий підпис і прикинутися Алісою. У контексті біткойнів це означає, що хтось може використовувати приватний ключ Аліси, щоб перемістити або витратити її біткойни без її дозволу.
Чому цифрові підписи важливі?
Цифрові підписи часто використовуються для трьох цілей, яких досягають їхні властивості: цілісність даних, автентифікація та неспростовність.
Цілісність даних. Боб може переконатися, що повідомлення Аліси не було змінено між надсиланням і отриманням. Будь-яка зміна повідомлення створить зовсім інший підпис.
Автентичність. Поки особистий ключ Аліси зберігається в секреті, Боб може використовувати свій відкритий ключ, щоб підтвердити, що цифрові підписи були створені Алісою і ніким іншим.
Не відмова. Після того, як підпис буде згенеровано, Аліса не зможе заперечувати застосування його в майбутньому, якщо її закритий ключ не буде якимось чином скомпрометовано.
Випадки використання
Цифрові підписи можна застосовувати до різних типів цифрових документів і сертифікатів. Таким чином, вони мають кілька застосувань. Деякі з найпоширеніших випадків використання включають:
Інформаційні технології, для підвищення безпеки систем Інтернет-зв'язку.
Фінанси. Цифрові підписи можна застосовувати для перевірок, звітів про витрати, кредитних угод тощо.
Юридичний. Цифровий підпис усіх типів міжбізнес-контрактів і юридичних угод. Те саме стосується державних документів.
Соціальна безпека. Цифрові підписи можуть запобігти шахрайству з рецептами та медичними документами.
Блокчейн. Цифрові підписи гарантують, що лише законний власник коштів зможе підписати транзакцію (за умови, що його приватні ключі не скомпрометовані).
Обмеження
Основні проблеми, з якими стикаються системи цифрового підпису, залежать принаймні від трьох вимог:
Алгоритм. Якість алгоритмів, які використовуються в схемі цифрового підпису, є важливою. Це включає вибір надійних хеш-функцій і криптографічних систем.
Реалізація. Якщо алгоритми хороші, але реалізація ні, система цифрового підпису, швидше за все, матиме недоліки.
Приватний ключ. Якщо приватні ключі витікають або будь-яким чином скомпрометовані, властивості автентичності та неспростування стануть недійсними. Для користувачів криптовалюти втрата закритого ключа може призвести до значних фінансових втрат.
Електронні підписи проти цифрових підписів
Коротко кажучи, цифрові підписи – це особливий тип електронного підпису, який відноситься до будь-якого електронного методу підписання документа чи повідомлення. Таким чином, усі цифрові підписи є електронними підписами, але зворотне систематично не вірно.
Основна відмінність між ними полягає в методі аутентифікації. Цифрові підписи розгортають криптографічні системи, такі як хеш-функції, криптографію з відкритим ключем і методи шифрування.
Прийти до висновку
Хеш-функції та криптографія з відкритим ключем є основою систем цифрового підпису, які тепер застосовуються в широкому діапазоні випадків використання. При правильному застосуванні цифрові підписи можуть підвищити безпеку, забезпечити цілісність і полегшити автентифікацію всіх типів цифрових даних.
У блокчейні цифрові підписи використовуються для підписання та авторизації транзакцій у криптовалюті. Вони особливо важливі для біткойнів, оскільки підписи гарантують, що монети можуть витрачати лише особи, які мають відповідні закриті ключі.
Незважаючи на те, що вони використовуються роками, у сфері цифрових та електронних підписів ще попереду великий прогрес. Велика частина сучасної бюрократії все ще покладається на використання паперу, але ймовірно, що ми побачимо широке впровадження цифрових підписів, коли рухатимемося до все більш цифрового суспільства.