Μια ψηφιακή υπογραφή είναι ένας μηχανισμός κρυπτογράφησης που χρησιμοποιείται για να επαληθεύσει την αυθεντικότητα και ακεραιότητα των ψηφιακών δεδομένων. Μπορούμε να τη θεωρήσουμε ως μια ψηφιακή εκδοχή των συνηθισμένων χειρόγραφων υπογραφών, αλλά με υψηλότερα επίπεδα πολυπλοκότητας και ασφάλειας.
Με απλά λόγια, μπορούμε να περιγράψουμε μια ψηφιακή υπογραφή ως έναν κωδικό που επισυνάπτεται σε ένα μήνυμα ή έγγραφο. Αφού δημιουργηθεί, ο κωδικός λειτουργεί ως αποδεικτικό ότι το μήνυμα δεν έχει παραποιηθεί κατά την αποστολή του από τον αποστολέα στον παραλήπτη.
Παρόλο που η έννοια της ασφάλισης επικοινωνιών με τη χρήση της κρυπτογράφησης χρονολογείται από την αρχαιότητα, οι τεχνικές ψηφιακών υπογραφών έγιναν πραγματικότητα τη δεκαετία του 1970 χάρη στην Κρυπτογράφηση με δημόσιο κλειδί (Public-Key Cryptography ή PKC). Για να μάθετε πώς λειτουργούν οι ψηφιακές υπογραφές, πρέπει πρώτα να κατανοήσετε τις βασικές λειτουργίες των συναρτήσεων hash και της κρυπτογράφησης με δημόσιο κλειδί.
Συναρτήσεις hash
Το Hashing είναι ένα από τα βασικά στοιχεία του συστήματος ψηφιακών υπογραφών. Η διαδικασία του hashing περιλαμβάνει τη μετατροπή δεδομένων κάθε μεγέθους σε εκροή σταθερού μεγέθους. Αυτό πραγματοποιείται από ένα συγκεκριμένο είδος αλγορίθμων γνωστών ως συναρτήσεις hash. Η εκροή δημιουργείται από μια συνάρτηση hash που είναι γνωστή ως τιμή hash ή σύνοψη μηνύματος.
Όταν συνδυαστεί με την κρυπτογράφηση, οι κρυπτογραφικές συναρτήσεις hash μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν μια τιμή hash (σύνοψη) που ενεργεί ως ένα μοναδικό ψηφιακό αποτύπωμα. Αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε αλλαγή στα δεδομένα εισροής (μήνυμα) θα μπορούσαν να έχουν ως αποτέλεσμα μια εντελώς διαφορετική εκροή (τιμή hash). Αυτός είναι ο λόγος που οι κρυπτογραφικές συναρτήσεις hash χρησιμοποιούνται τόσο πολύ για την επαλήθευση αυθεντικότητας ψηφιακών δεδομένων.
Κρυπτογράφηση με δημόσιο κλειδί (PKC)
Η κρυπτογράφηση με δημόσιο κλειδί, ή PKC, αναφέρεται σε ένα κρυπτογραφικό σύστημα που αξιοποιεί ένα ζεύγος κλειδιών: ένα δημόσιο κλειδί και ένα ιδιωτικό κλειδί. Τα δυο κλειδιά σχετίζονται βάσει μαθηματικών και μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο στην κρυπτογράφηση δεδομένων όσο και στις ψηφιακές υπογραφές.
Ως εργαλείο κρυπτογράφησης, η PKC είναι πιο ασφαλής από τις πιο στοιχειώδεις μεθόδους συμμετρικής κρυπτογράφησης. Ενώ τα παλαιότερα συστήματα βασίζονται στο ίδιο κλειδί για την κρυπτογράφηση και την αποκρυπτογράφηση πληροφοριών, η PKC επιτρέπει την κρυπτογράφηση δεδομένων με το δημόσιο κλειδί και την αποκρυπτογράφηση δεδομένων με το αντίστοιχο ιδιωτικό κλειδί.
Εκτός από αυτό, τα προγράμματα κρυπτογράφησης με δημόσιο κλειδί μπορούν να εφαρμοστούν και στη δημιουργία ψηφιακών υπογραφών. Ουσιαστικά, η διαδικασία περιλαμβάνει το hashing ενός μηνύματος (ή ψηφιακών δεδομένων) μαζί με το ιδιωτικό κλειδί του υπογράφοντος. Στη συνέχεια, ο παραλήπτης του μηνύματος μπορεί να ελέγξει εάν η υπογραφή είναι έγκυρη χρησιμοποιώντας το δημόσιο κλειδί που παρέχεται από τον υπογράφοντα.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ψηφιακές υπογραφές μπορεί να περιλαμβάνουν κρυπτογράφηση, αλλά αυτό δεν συμβαίνει πάντα. Για παράδειγμα, το blockchain του Bitcoin χρησιμοποιεί κρυπτογράφηση με δημόσιο κλειδί και ψηφιακές υπογραφές, αλλά σε αντίθεση αυτό που πιστεύουν πολλοί, δεν συμπεριλαμβάνεται κρυπτογράφηση κατά τη διαδικασία. Στην ουσία, το Bitcoin αναπτύσσει τον λεγόμενο αλγόριθμο ψηφιακής υπογραφής ελλειπτικής καμπύλης (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm ή ECDSA) για τον έλεγχο αυθεντικότητας των συναλλαγών.
Πώς λειτουργούν οι ψηφιακές υπογραφές
Στο πλαίσιο των κρυπτονομισμάτων, ένα σύστημα ψηφιακής υπογραφής αποτελείται συχνά από τρία βασικά βήματα: hashing, υπογραφή και επαλήθευση.
Hashing δεδομένων
Το πρώτο βήμα είναι να εφαρμοστεί hashing στο μήνυμα ή στα ψηφιακά δεδομένα. Αυτό γίνεται με την υποβολή των δεδομένων μέσω ενός αλγορίθμου hashing, έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια τιμή hash (δηλαδή, η σύνοψη του μηνύματος). Όπως αναφέραμε, τα μηνύματα μπορεί να διαφέρουν σημαντικά σε μέγεθος, αλλά όταν εφαρμόζεται σε αυτά το hashing, όλες οι τιμές hash έχουν το ίδιο μήκος. Αυτή είναι η πιο βασική ιδιότητα μιας συνάρτησης hash.
Ωστόσο, το hashing των δεδομένων δεν είναι απαραίτητο για τη δημιουργία ψηφιακής υπογραφής, επειδή μπορεί κάποιος να χρησιμοποιήσει ένα ιδιωτικό κλειδί για να υπογράψει ένα μήνυμα στο οποίο δεν εφαρμόστηκε καθόλου hashing. Αλλά για τα κρυπτονομίσματα, γίνεται πάντα hashing δεδομένων επειδή η σύνοψη συγκεκριμένου μήκους διευκολύνει όλη τη διαδικασία.
Υπογραφή
Αφού γίνει hashing των πληροφοριών, ο αποστολέας στέλνει το μήνυμα που πρέπει να υπογραφεί. Σε αυτό το σημείο χρησιμοποιείται η κρυπτογράφηση με δημόσιο κλειδί. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αλγορίθμων ψηφιακών υπογραφών, ο καθένας με τον δικό του ιδιαίτερο μηχανισμό. Αλλά ουσιαστικά, το μήνυμα στο οποίο έχει εφαρμοστεί hashing θα υπογραφεί με ένα ιδιωτικό κλειδί και ο παραλήπτης του μηνύματος μπορεί στη συνέχεια να ελέγξει την εγκυρότητά του χρησιμοποιώντας το αντίστοιχο δημόσιο κλειδί (που παρέχεται από τον υπογράφοντα).
Με άλλα λόγια, εάν το ιδιωτικό κλειδί δεν περιλαμβάνεται κατά τη δημιουργία της υπογραφής, ο παραλήπτης του μηνύματος δεν θα μπορεί να χρησιμοποιήσει το αντίστοιχο δημόσιο κλειδί για να επαληθεύσει την εγκυρότητά του. Τόσο το δημόσιο όσο και το ιδιωτικό κλειδί δημιουργούνται από τον αποστολέα του μηνύματος, αλλά μόνο το δημόσιο κλειδί κοινοποιείται στον παραλήπτη.
Αξίζει να σημειωθεί ότι οι ψηφιακές υπογραφές σχετίζονται άμεσα με το περιεχόμενο κάθε μηνύματος. Έτσι, σε αντίθεση με τις χειρόγραφες υπογραφές, που τείνουν να είναι ίδιες ανεξάρτητα από το μήνυμα, κάθε ψηφιακά υπογεγραμμένο μήνυμα θα έχει διαφορετική ψηφιακή υπογραφή.
Επαλήθευση
Ας δούμε ένα παράδειγμα για να εξηγήσουμε όλη τη διαδικασία μέχρι το τελικό βήμα της επαλήθευσης. Ας υποθέσουμε ότι η Αλίκη γράφει ένα μήνυμα στον Γιώργο, εφαρμόζει σε αυτό ένα hash και, στη συνέχεια, συνδυάζει την τιμή hash με το ιδιωτικό της κλειδί για να δημιουργήσει μια ψηφιακή υπογραφή. Η υπογραφή θα λειτουργεί ως μοναδικό ψηφιακό αποτύπωμα του συγκεκριμένου μηνύματος.
Όταν ο Γιώργος λάβει το μήνυμα, μπορεί να ελέγξει την εγκυρότητα της ψηφιακής υπογραφής χρησιμοποιώντας το δημόσιο κλειδί που παρέχεται από την Αλίκη. Με αυτόν τον τρόπο, ο Γιώργος μπορεί να είναι σίγουρος ότι η υπογραφή δημιουργήθηκε από την Αλίκη επειδή μόνο αυτή έχει το ιδιωτικό κλειδί που αντιστοιχεί σε αυτό το δημόσιο κλειδί (τουλάχιστον αυτό περιμένουμε να συμβεί).
Επομένως, είναι σημαντικό η Αλίκη να κρατήσει κρυφό το ιδιωτικό της κλειδί. Εάν ένα άλλο άτομο πάρει στα χέρια του το ιδιωτικό κλειδί της Αλίκης, μπορεί να δημιουργήσει ψηφιακές υπογραφές και να προσποιηθεί ότι είναι η Αλίκη. Στο πλαίσιο του Bitcoin, αυτό σημαίνει ότι κάποιος θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει το ιδιωτικό κλειδί της Αλίκης για να μετακινήσει ή να ξοδέψει τα Bitcoin της χωρίς την άδειά της.
Γιατί είναι σημαντικές οι ψηφιακές υπογραφές;
Οι ψηφιακές υπογραφές χρησιμοποιούνται συχνά για να πετύχουν τρία αποτελέσματα: ακεραιότητα δεδομένων, έλεγχος ταυτότητας και μη αποκήρυξη ταυτότητας.
Ακεραιότητα δεδομένων. Ο Γιώργος μπορεί να επαληθεύσει ότι το μήνυμα της Αλίκης δεν άλλαξε μέχρι να φτάσει σε αυτόν. Οποιαδήποτε τροποποίηση στο μήνυμα θα είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας εντελώς διαφορετικής υπογραφής.
Αυθεντικότητα. Εφόσον η Αλίκη διατηρεί μυστικό το ιδιωτικό της κλειδί, ο Γιώργος μπορεί να χρησιμοποιήσει το δημόσιο κλειδί της για να επιβεβαιώσει ότι οι ψηφιακές υπογραφές δημιουργήθηκαν από την Αλίκη και κανέναν άλλον.
Χωρίς αποκήρυξη ταυτότητας. Μόλις δημιουργηθεί η υπογραφή, η Αλίκη δεν θα μπορεί να αρνηθεί ότι την υπέγραψε, εκτός εάν το ιδιωτικό της κλειδί παραβιαστεί με κάποιον τρόπο.
Περιπτώσεις χρήσης
Οι ψηφιακές υπογραφές μπορούν να εφαρμοστούν σε διάφορα είδη ψηφιακών εγγράφων και πιστοποιητικών. Επομένως, έχουν πολλές χρήσεις. Μερικές από τις πιο συνηθισμένες περιπτώσεις χρήσης περιλαμβάνουν:
Τεχνολογία πληροφοριών. Για την ενίσχυση της ασφάλειας των συστημάτων επικοινωνίας του διαδικτύου.
Χρηματοδότηση. Οι ψηφιακές υπογραφές μπορούν να εφαρμοστούν σε ελέγχους, αναφορές εξόδων, δανειακές συμβάσεις και πολλά άλλα.
Νομικά θέματα. Η χρήση ψηφιακής υπογραφής για την υπογραφή κάθε είδους επιχειρηματικής σύμβασης και νομικών συμφωνιών, συμπεριλαμβανομένων των κρατικών εγγράφων.
Υγειονομική περίθαλψη. Οι ψηφιακές υπογραφές μπορούν να αποτρέψουν την απάτη στη συνταγογράφηση και τα ιατρικά αρχεία.
Blockchain. Τα συστήματα ψηφιακής υπογραφής διασφαλίζουν ότι μόνο οι νόμιμοι κάτοχοι των κρυπτονομισμάτων μπορούν να υπογράψουν μια συναλλαγή για τη μετακίνηση των κεφαλαίων (εφόσον τα ιδιωτικά τους κλειδιά δεν έχουν παραβιαστεί).
Περιορισμοί
Οι κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν τα συστήματα ψηφιακής υπογραφής βασίζονται σε τουλάχιστον τρεις απαιτήσεις:
Αλγόριθμος. Η ποιότητα των αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται σε ένα πρόγραμμα ψηφιακών υπογραφών είναι σημαντική. Αυτό περιλαμβάνει την επιλογή αξιόπιστων συναρτήσεων hash και κρυπτογραφικών συστημάτων.
Εφαρμογή. Εάν οι αλγόριθμοι είναι καλοί, αλλά η εφαρμογή τους δεν είναι, το σύστημα ψηφιακής υπογραφής πιθανόν θα παρουσιάσει ελαττώματα.
Ιδιωτικό κλειδί. Εάν τα ιδιωτικά κλειδιά διαρρεύσουν ή παραβιαστούν με κάποιον τρόπο, οι ιδιότητες της αυθεντικότητας και της μη αποκήρυξης ταυτότητας, θα ακυρωθούν. Για τους χρήστες κρυπτονομισμάτων, η απώλεια ενός ιδιωτικού κλειδιού μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές οικονομικές απώλειες.
Ηλεκτρονικές υπογραφές και ψηφιακές υπογραφές
Με απλά λόγια, οι ψηφιακές υπογραφές αφορούν ένα συγκεκριμένο είδος ηλεκτρονικών υπογραφών - οι οποίες αναφέρονται σε οποιαδήποτε μέθοδο ηλεκτρονικής υπογραφής εγγράφων και μηνυμάτων. Επομένως, όλες οι ψηφιακές υπογραφές είναι ηλεκτρονικές υπογραφές, αλλά το αντίθετο δεν ισχύει πάντα.
Η κύρια διαφορά τους είναι η μέθοδος ελέγχου ταυτότητας. Οι ψηφιακές υπογραφές δημιουργούν κρυπτογραφικά συστήματα, όπως συναρτήσεις hash, κρυπτογράφηση με δημόσιο κλειδί και τεχνικές κρυπτογράφησης.
Συμπεράσματα
Οι συναρτήσεις hash και η κρυπτογράφηση με δημόσιο κλειδί είναι ο πυρήνας των συστημάτων ψηφιακών υπογραφών που πλέον εφαρμόζονται σε ένα ευρύ φάσμα περιπτώσεων χρήσης. Εάν εφαρμοστούν σωστά, οι ψηφιακές υπογραφές μπορούν να αυξήσουν την ασφάλεια, να διασφαλίσουν την ακεραιότητα και να διευκολύνουν την αυθεντικότητα όλων των ειδών ψηφιακών δεδομένων.
Στο πεδίο των blockchain, οι ψηφιακές υπογραφές χρησιμοποιούνται για την υπογραφή και την εξουσιοδότηση συναλλαγών κρυπτονομισμάτων. Είναι ιδιαίτερα σημαντικές για το Bitcoin επειδή οι υπογραφές διασφαλίζουν ότι τα νομίσματα μπορούν να δαπανηθούν μόνο από τα άτομα που κατέχουν τα αντίστοιχα ιδιωτικά κλειδιά.
Παρόλο που χρησιμοποιούμε εδώ και χρόνια τόσο τις ηλεκτρονικές όσο και τις ψηφιακές υπογραφές, υπάρχουν ακόμη πολλά περιθώρια ανάπτυξης. Ένα μεγάλο μέρος της γραφειοκρατίας σήμερα, εξακολουθεί να βασίζεται σε έντυπα μέσα, αλλά πιθανότατα θα δούμε μεγαλύτερη υιοθέτηση των συστημάτων ψηφιακής υπογραφής καθώς μεταβαίνουμε σε ένα πιο ψηφιοποιημένο σύστημα.