Was ist eine digitale Signatur?

Eine digitale Signatur ist ein kryptographischer Mechanismus, der verwendet wird, um die Authentizität und Integrität digitaler Daten zu überprüfen. Wir können es als eine digitale Version der gewöhnlichen eigenhändigen Unterschriften betrachten, aber mit einem höheren Maß an Komplexität und Sicherheit.

Einfach ausgedrückt, können wir eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der an eine Nachricht oder ein Dokument angehängt wird. Nach der Generierung dient der Code als Beweis dafür, dass die Nachricht auf dem Weg vom Sender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Obwohl das Konzept der Sicherung der Kommunikation mit Hilfe von Kryptographie in die Antike zurückreicht, wurden digitale Signaturschemata in den 1970er Jahren möglich - dank der Entwicklung der Public-Key Cryptography (PKC). Um also zu lernen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen der Hash-Funktionen und der Public-Key-Kryptographie verstehen.

Hash-Funktionen

Hashing ist eines der Kernelemente eines digitalen Signatursystems. Der Prozess des Hashings beinhaltet die Transformation von Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe mit fester Größe. Dies geschieht durch eine spezielle Art von Algorithmen, die als Hash-Funktionen bezeichnet werden. Die von einer Hash-Funktion erzeugte Ausgabe wird als Hash-Wert oder Message Digest bezeichnet.

In Kombination mit Kryptographie können mit den so genannten kryptographischen Hash-Funktionen ein Hash-Wert (Digest) erzeugt werden, der als eindeutiger digitaler Fingerabdruck dient. Das bedeutet, dass jede Änderung der Eingangsdaten (Nachricht) zu einer völlig anderen Ausgabe (Hash-Wert) führen würde. Und das ist der Grund, warum kryptographische Hash-Funktionen weit verbreitet sind, um die Authentizität digitaler Daten zu überprüfen.

Public-Key Kryptographie (PKC)

Public-Key Kryptographie oder PKC bezieht sich auf ein kryptographisches System, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen Public Key und einen Private Key. Die beiden Schlüssel sind mathematisch verknüpft und können sowohl für die Datenverschlüsselung als auch für digitale Signaturen verwendet werden.

Als Verschlüsselungswerkzeug ist PKC sicherer als die rudimentäreren Methoden der symmetrischen Verschlüsselung. Während ältere Systeme beim Ver- und Entschlüsseln von Informationen auf den gleichen Schlüssel angewiesen sind, ermöglicht PKC Daten Verschlüsselung mit dem Public Key und Datenentschlüsselung mit dem entsprechenden Private Key.

Darüber hinaus kann das PKC-Schema auch bei der Erzeugung digitaler Signaturen angewendet werden. Im Wesentlichen besteht der Prozess darin, eine Nachricht (oder digitale Daten) zusammen mit dem Private Key des Unterzeichners zu hashen. Anschließend kann der Empfänger der Nachricht anhand des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen, ob die Signatur gültig ist.

In einigen Situationen kann die digitale Signatur eine Verschlüsselung beinhalten, aber das ist nicht immer der Fall. So nutzt beispielsweise die Bitcoin Blockchain PKC und digitale Signaturen, aber im Gegensatz zu dem, was viele glauben, gibt es dabei keine Verschlüsselung. Technisch gesehen setzt Bitcoin den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithmus (ECDSA) zur Authentifizierung von Transaktionen ein.

Wie digitale Signaturen funktionieren

Im Zusammenhang mit Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem oft aus drei grundlegenden Schritten: Hashing, Signieren und Verifizieren.

Hashing der Daten

Der erste Schritt besteht darin, die Nachricht oder die digitalen Daten zu hashen. Dies geschieht, indem die Daten durch einen Hashing-Algorithmus übertragen werden, so dass ein Hash-Wert erzeugt wird (d.h. der Message Digest). Wie bereits erwähnt, können die Nachrichten in der Größe stark variieren, aber wenn sie gehasht werden, haben alle ihre Hash-Werte die gleiche Länge. Dies ist die grundlegendste Eigenschaft einer Hash-Funktion.

Das Hashing der Daten ist jedoch kein Muss für die Erstellung einer digitalen Signatur, da man mit einem Private Key eine Nachricht signieren kann, die überhaupt nicht gehasht wurde. Bei Kryptowährungen werden die Daten jedoch immer gehasht, da der Umgang mit Digests fester Länge den gesamten Prozess erleichtert.

Signieren

Nachdem die Informationen gehasht wurden, muss der Absender der Nachricht diese signieren. Dies ist der Moment, in dem die Public-Key-Kryptographie ins Spiel kommt. Es gibt mehrere Arten von Algorithmen für die digitale Signatur, von denen jeder seinen eigenen Mechanismus hat. Im Wesentlichen wird die Hash-Nachricht jedoch mit einem Private Key signiert, und der Empfänger der Nachricht kann dann ihre Gültigkeit mit dem entsprechenden Public Key (bereitgestellt vom Unterzeichner) überprüfen.

Anders ausgedrückt, wenn der Private Key bei der Signaturerzeugung nicht enthalten ist, kann der Empfänger der Nachricht den entsprechenden Public Key nicht zur Überprüfung seiner Gültigkeit verwenden. Sowohl Public als auch Private Keys werden vom Sender der Nachricht erzeugt, aber nur der Public Key wird mit dem Empfänger geteilt.

Es ist anzumerken, dass digitale Signaturen in direktem Zusammenhang mit dem Inhalt jeder Nachricht stehen. Im Gegensatz zu eigenhändigen Unterschriften, die in der Regel unabhängig von der Nachricht gleich sind, hat jede digital signierte Nachricht eine andere digitale Signatur.

Verifizieren

Nehmen wir ein Beispiel, um den gesamten Prozess bis zum letzten Schritt der Verifizierung zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Alice schreibt eine Nachricht an Bob, hasht sie und kombiniert dann den Hash-Wert mit ihrem Private Key, um eine digitale Signatur zu erzeugen. Die Signatur fungiert als eindeutiger digitaler Fingerabdruck der jeweiligen Nachricht.

Wenn Bob die Nachricht erhält, kann er die Gültigkeit der digitalen Signatur überprüfen, indem er den von Alice bereitgestellten Public Key verwendet. Auf diese Weise kann Bob sicher sein, dass die Signatur von Alice erstellt wurde, denn nur sie hat den Private Key, der zu diesem Public Key passt (zumindest ist es das, was wir erwarten).

Also ist es für Alice wichtig, ihren Private Key geheim zu halten. Wenn eine andere Person den Private Key von Alice in die Finger bekommt, kann sie digitale Signaturen erstellen und vorgeben, Alice zu sein. Im Zusammenhang mit Bitcoin bedeutet dies, dass jemand ohne Erlaubnis den Private Key von Alice benutzen könnte, um ihre Bitcoins zu transferieren oder auszugeben.

Warum sind digitale Signaturen wichtig?

Digitale Signaturen werden häufig verwendet, um drei Ergebnisse zu erzielen: Datenintegrität, Authentifizierung und Unleugbarkeit.

Datenintegrität. Bob kann bestätigen, dass Alice's Botschaft auf ihrem Weg nicht verändert wurde. Jede Änderung in der Nachricht würde eine völlig andere Signatur erzeugen.
Authentizität. Solange Alices privater Schlüssel geheim gehalten wird, kann Bob mit ihrem Public Key bestätigen, dass die digitalen Signaturen von Alice und niemand anderem erstellt wurden.
Unleugbarkeit. Sobald die Signatur generiert wurde, kann Alice in danach nicht mehr leugnen, dass sie diese signiert hat, es sei denn, ihr Private Key wurde irgendwie kompromittiert.

Anwendungsfälle

Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten von digitalen Dokumenten und Zertifikaten angewendet werden. Als solche haben sie mehrere Anwendungen. Einige der häufigsten Anwendungsfälle sind:

Informationstechnologie. Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.
Finanzen. Digitale Signaturen können für Audits, Spesenabrechnungen, Kreditverträge und vieles mehr eingesetzt werden.
Rechtliches. Digitale Unterzeichnung aller Arten von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich Regierungspapieren.
Gesundheitswesen. Digitale Signaturen können den Betrug bei Rezepten und Krankenakten verhindern.
Blockchain. Digitale Signatursysteme stellen sicher, dass nur die rechtmäßigen Eigentümer der Kryptowährungen in der Lage sind, eine Transaktion zur Bewegung der Gelder zu unterzeichnen (solange ihre Private Keys nicht kompromittiert werden).

Einschränkungen

Die großen Herausforderungen für digitale Signatursysteme beruhen auf mindestens drei Anforderungen:

Algorithmus. Die Qualität der in einem digitalen Signaturschema verwendeten Algorithmen ist wichtig. Dazu gehört die Auswahl an zuverlässigen Hash-Funktionen und kryptographischen Systemen.
Implementierung. Wenn die Algorithmen gut sind, die Implementierung aber nicht, wird das digitale Signatursystem wahrscheinlich Fehler aufweisen.
Private Key. Wenn die Private Keys geleaked oder irgendwie kompromittiert werden, werden die Eigenschaften von Authentizität und Unleugbarkeit ungültig. Für Benutzer von Kryptowährungen kann der Verlust eines Private Keys zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.

Elektronische Signaturen vs. digitale Signaturen

Einfach ausgedrückt beziehen sich digitale Signaturen auf eine bestimmte Art von elektronischen Signaturen - die sich auf jede elektronische Methode zum Signieren von Dokumenten und Nachrichten beziehen. Somit sind alle digitalen Signaturen elektronische Signaturen, aber das Gegenteil ist nicht immer der Fall.

Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Authentifizierungsmethode. Digitale Signaturen verwenden kryptografische Systeme, z. B. Hash-Funktionen, Public-Key Kryptografie und Verschlüsselungstechniken.

Schlussworte

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie bilden den Kern der digitalen Signatursysteme, die nun bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen verwendet werden. Bei ordnungsgemäßer Implementierung können digitale Signaturen die Sicherheit erhöhen, die Integrität gewährleisten und die Authentifizierung aller Arten digitaler Daten erleichtern.

Im Blockchain-Bereich werden digitale Signaturen zum Signieren und Autorisieren von Kryptowährungstransaktionen verwendet. Sie sind für Bitcoin besonders wichtig, da die Signaturen sicherstellen, dass Coins nur von Personen ausgegeben werden können, die über die entsprechenden Private Keys verfügen.

Obwohl wir seit Jahren sowohl elektronische als auch digitale Signaturen verwenden, gibt es immer noch viel Raum für Wachstum. Ein großer Teil der heutigen Bürokratie basiert immer noch auf Papierkram, aber mit der Umstellung auf ein digitaleres System werden wir wahrscheinlich mehr Systeme für digitale Signaturen einführen.