Was ist eine digitale Signatur?
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Was ist eine digitale Signatur?

Was ist eine digitale Signatur?

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Veröffentlicht Aug 19, 2019Aktualisiert Jan 31, 2023
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Eine digitale Signatur ist ein kryptographischer Mechanismus, der verwendet wird, um die Authentizit√§t und Integrit√§t digitaler Daten zu √ľberpr√ľfen. Wir k√∂nnen es als eine digitale Version der gew√∂hnlichen eigenh√§ndigen Unterschriften betrachten, aber mit einem h√∂heren Ma√ü an Komplexit√§t und Sicherheit.

Einfach ausgedr√ľckt, k√∂nnen wir eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der an eine Nachricht oder ein Dokument angeh√§ngt wird. Nach der Generierung dient der Code als Beweis daf√ľr, dass die Nachricht auf dem Weg vom Sender zum Empf√§nger nicht manipuliert wurde.

Obwohl das Konzept der Sicherung der Kommunikation mit Hilfe von Kryptographie¬†in die Antike zur√ľckreicht, wurden digitale Signaturschemata in den 1970er Jahren m√∂glich - dank der Entwicklung der¬†Public-Key Cryptography (PKC). Um also zu lernen, wie digitale Signaturen funktionieren, m√ľssen wir zun√§chst 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 k√∂nnen mit den so genannten kryptographischen Hash-Funktionen ein Hash-Wert (Digest) erzeugt werden, der als eindeutiger digitaler Fingerabdruck dient. Das bedeutet, dass jede √Ąnderung der Eingangsdaten (Nachricht) zu einer v√∂llig anderen Ausgabe (Hash-Wert) f√ľhren w√ľrde. Und das ist der Grund, warum kryptographische Hash-Funktionen weit verbreitet sind, um die Authentizit√§t digitaler Daten zu √ľberpr√ľfen.


Public-Key Kryptographie (PKC)

Public-Key Kryptographie oder PKC bezieht sich auf ein kryptographisches System, das ein Schl√ľsselpaar verwendet: einen Public Key und einen Private Key. Die beiden Schl√ľssel sind mathematisch verkn√ľpft und k√∂nnen sowohl f√ľr die Datenverschl√ľsselung als auch f√ľr digitale Signaturen verwendet werden.

Als Verschl√ľsselungswerkzeug ist PKC sicherer als die rudiment√§reren Methoden der¬†symmetrischen Verschl√ľsselung. W√§hrend √§ltere Systeme beim Ver- und Entschl√ľsseln von Informationen auf den gleichen Schl√ľssel angewiesen sind, erm√∂glicht PKC Daten¬†Verschl√ľsselung mit dem Public Key und Datenentschl√ľsselung mit dem entsprechenden Private Key.

Dar√ľber 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. Anschlie√üend kann der Empf√§nger der Nachricht anhand des vom Unterzeichner bereitgestellten √∂ffentlichen Schl√ľssels √ľberpr√ľfen, ob die Signatur g√ľltig ist.

In einigen Situationen kann die digitale Signatur eine Verschl√ľsselung 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 Verschl√ľsselung. 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 √ľbertragen werden, so dass ein Hash-Wert erzeugt wird (d.h. der Message Digest). Wie bereits erw√§hnt, k√∂nnen die Nachrichten in der Gr√∂√üe stark variieren, aber wenn sie gehasht werden, haben alle ihre Hash-Werte die gleiche L√§nge. Dies ist die grundlegendste Eigenschaft einer Hash-Funktion.

Das Hashing der Daten ist jedoch kein Muss f√ľr die Erstellung einer digitalen Signatur, da man mit einem Private Key eine Nachricht signieren kann, die √ľberhaupt nicht gehasht wurde. Bei Kryptow√§hrungen werden die Daten jedoch immer gehasht, da der Umgang mit Digests fester L√§nge 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 f√ľr die digitale Signatur, von denen jeder seinen eigenen Mechanismus hat. Im Wesentlichen wird die Hash-Nachricht jedoch mit einem Private Key signiert, und der Empf√§nger der Nachricht kann dann ihre G√ľltigkeit mit dem entsprechenden Public Key (bereitgestellt vom Unterzeichner) √ľberpr√ľfen.

Anders ausgedr√ľckt, wenn der Private Key bei der Signaturerzeugung nicht enthalten ist, kann der Empf√§nger der Nachricht den entsprechenden Public Key nicht zur √úberpr√ľfung seiner G√ľltigkeit verwenden. Sowohl Public als auch Private Keys werden vom Sender der Nachricht erzeugt, aber nur der Public Key wird mit dem Empf√§nger 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 erh√§lt, kann er die G√ľltigkeit der digitalen Signatur √ľberpr√ľfen, 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 f√ľr 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 k√∂nnte, 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.

  • Datenintegrit√§t. Bob kann best√§tigen, dass Alice's Botschaft auf ihrem Weg nicht ver√§ndert wurde. Jede √Ąnderung in der Nachricht w√ľrde eine v√∂llig andere Signatur erzeugen.

  • Authentizit√§t.¬†Solange Alices privater Schl√ľssel geheim gehalten wird, kann Bob mit ihrem Public Key best√§tigen, 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 k√∂nnen f√ľr Audits, Spesenabrechnungen, Kreditvertr√§ge und vieles mehr eingesetzt werden.

  • Rechtliches.¬†Digitale Unterzeichnung aller Arten von Gesch√§ftsvertr√§gen und rechtlichen Vereinbarungen, einschlie√ülich Regierungspapieren.

  • Gesundheitswesen. Digitale Signaturen k√∂nnen den Betrug bei Rezepten und Krankenakten verhindern.

  • Blockchain. Digitale Signatursysteme stellen sicher, dass nur die rechtm√§√üigen Eigent√ľmer der Kryptow√§hrungen in der Lage sind, eine Transaktion zur Bewegung der Gelder zu unterzeichnen (solange ihre Private Keys nicht kompromittiert werden).


Einschränkungen

Die gro√üen Herausforderungen f√ľr digitale Signatursysteme beruhen auf mindestens drei Anforderungen:¬†

  • Algorithmus. Die Qualit√§t der in einem digitalen Signaturschema verwendeten Algorithmen ist wichtig. Dazu geh√∂rt die Auswahl an zuverl√§ssigen¬†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 Authentizit√§t und Unleugbarkeit ung√ľltig. F√ľr Benutzer von Kryptow√§hrungen kann der Verlust eines Private Keys zu erheblichen finanziellen Verlusten f√ľhren.


Elektronische Signaturen vs. digitale Signaturen

Einfach ausgedr√ľckt 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 Verschl√ľsselungstechniken.


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 Kryptow√§hrungstransaktionen verwendet. Sie sind f√ľr Bitcoin besonders wichtig, da die Signaturen sicherstellen, dass Coins nur von Personen ausgegeben werden k√∂nnen, die √ľber die entsprechenden Private Keys verf√ľgen.

Obwohl wir seit Jahren sowohl elektronische als auch digitale Signaturen verwenden, gibt es immer noch viel Raum f√ľr Wachstum. Ein gro√üer Teil der heutigen B√ľrokratie basiert immer noch auf Papierkram, aber mit der Umstellung auf ein digitaleres System werden wir wahrscheinlich mehr Systeme f√ľr digitale Signaturen einf√ľhren.