¿Qué es una Firma Digital?

Una firma digital es un mecanismo criptográfico empleado para verificar la autenticidad e integridad de datos digitales. Podemos considerarla una versión digital de las firmas escritas a mano ordinarias, pero con un nivel más elevado de complejidad y seguridad.

En términos sencillos, podríamos describir una firma digital como código vinculado a un mensaje o documento. Después de ser generado, dicho código ejerce como prueba de que el mensaje no ha sido manipulado durante el proceso que lo lleva del emisor al receptor.

A pesar de que el concepto de proteger las comunicaciones mediante el uso de criptografía se remonta a la antigüedad, los esquemas de firma digital se convirtieron en una posibilidad real en los años 70 -gracias al desarrollo de la Criptografía de Clave Pública (PKC). Así que, para aprender cómo funcionan las firmas digitales, necesitamos comprender primero los fundamentos de las funciones hash y de la criptografía de clave pública.

Funciones Hash

El hashing es uno de los elementos principales de los sistemas de firma digital. El proceso de hashing implica transformar datos de cualquier tamaño en un output de extensión fija. Esto se consigue mediante un tipo de algoritmos especiales conocidos como funciones hash. El output generado por una función hash se denomina valor hash o digest del mensaje.

En combinación con la criptografía, las así llamadas funciones hash criptográficas pueden ser empleadas para generar un valor hash (digest) que funciona como huella digital única. Esto significa que cualquier cambio en los datos de entrada (mensaje) generará como resultado un output (valor hash) completamente diferente. Y esta es la razón por la que las funciones hash criptográficas son ampliamente utilizadas para verificar la autenticidad de los datos digitales.

Criptografía de Clave Pública (PKC)

La criptografía de clave pública, o PKC, designa el sistema criptográfico que hace uso de un par de claves: una pública y otra privada. Las dos claves están matemáticamente vinculadas y pueden ser empleadas tanto para encriptación de datos como para firmas digitales.

Como herramienta de encriptación, la PKC es más segura que los métodos más rudimentarios de la encriptación simétrica. Mientras los sistemas más antiguos se apoyan en la misma clave para cifrar y descifrar la información, la PKC permite encriptar los datos mediante la clave pública, y desencriptarlos utilizando la correspondiente clave privada.

Aparte de eso, el esquema PKC puede ser aplicado para la generación de firmas digitales. Básicamente, el proceso consiste en someter a hashing un mensaje (o datos digitales) junto con la clave privada del firmante. A continuación, el receptor del mensaje podrá comprobar si la firma es válida utilizando la clave pública proporcionada por el firmante.

En algunas circunstancias, las firmas digitales pueden conllevar encriptación, aunque no siempre es el caso. Por ejemplo, la blockchain de Bitcoin hace uso de la PKC y de las firmas digitales, pero a diferencia de lo que muchos tienden a creer, no se produce encriptación en el proceso. Técnicamente, Bitcoin utiliza el llamado Algoritmo de Firma Digital de Curva Elíptica (ECDSA) para autenticar las transacciones.

Funcionamiento de las firmas digitales

En el ámbito de las criptomonedas, un sistema de firma digital con frecuencia consta de tres pasos básicos: hashing, firma y verificación.

Hashing de los datos

El primer paso es someter a proceso de hashing el mensaje o los datos digitales. Esto se logra procesando los datos mediante un algoritmo de hashing, para así obtener un valor hash (en este caso, el digest del mensaje). Como ya se ha mencionado, el tamaño de los mensajes puede variar de forma significativa, pero cuando son sometidos a proceso de hashing, todos sus valores hash resultantes presentan la misma longitud. Esta es la propiedad más elemental de una función hash.

Sin embargo, para producir una firma digital no es imprescindible someter los datos a hashing, porque uno puede utilizar una clave privada para firmar un mensaje que de ninguna forma haya sido hasheado. Ahora bien, en el caso de las criptomonedas, los datos son siempre sometidos a proceso de hashing porque lidiar con digests de extensión fija facilita todo el proceso.

Firma

Tras someter a proceso de hashing la información, el emisor del mensaje debe firmarla. Este es el momento en que la criptografía de clave pública entra en acción. Existen diversos tipos de algoritmos de firma digital, cada uno con su propio mecanismo particular. Pero de forma general, el mensaje que ha sido sometido a hashing será firmado con una clave privada, y el receptor del mismo podrá comprobar su validez utilizando la correspondiente clave pública (proporcionada por el firmante).

Dicho de otra forma, si la clave privada no se incluye cuando se genera la firma, el receptor del mensaje no podrá utilizar la clave pública correspondiente para así verificar su validez. Tanto la clave pública como la privada son generadas por el emisor del mensaje, pero sólo la clave pública es compartida con el receptor.

Vale la pena señalar que las firmas digitales están directamente relacionadas con el contenido de cada mensaje. Entonces, a diferencia de las firmas manuscritas, que tienden a ser las mismas independientemente del mensaje, cada mensaje firmado digitalmente tendrá una firma digital diferente.

Verificación

Tomemos un ejemplo para ilustrar todo el proceso hasta el paso final de verificación. Imagina que Alice escribe un mensaje a Bob, lo codifica y luego combina el valor hash con su clave privada para generar una firma digital. La firma funcionará como una huella digital única de ese mensaje en particular.

Cuando Bob recibe el mensaje, puede verificar la validez de la firma digital utilizando la clave pública provista por Alice. De esta manera, Bob puede estar seguro de que la firma fue creada por Alice porque solo ella tiene la clave privada que corresponde a esa clave pública (al menos eso es lo que esperamos).

Entonces, es crucial para Alice mantener su clave privada en secreto. Si otra persona tiene en sus manos la clave privada de Alice, puede crear firmas digitales y pretender ser Alice. En el contexto de Bitcoin, esto significa que alguien podría usar la clave privada de Alice para mover o gastar sus Bitcoins sin su permiso.

¿Por qué son importantes las firmas digitales?

Las firmas digitales a menudo se usan para lograr tres resultados: integridad de datos, autenticación y no repudio.

Integridad de los datos. Bob puede verificar que el mensaje de Alice no haya cambiado en el camino. Cualquier modificación en el mensaje produciría una firma completamente diferente.
Autenticidad. Mientras la clave privada de Alice se mantenga en secreto, Bob puede usar su clave pública para confirmar que las firmas digitales fueron creadas por Alice y nadie más.
No repudio. Una vez que se haya generado la firma, Alice no podrá negar haberla firmado en el futuro, a menos que su clave privada se vea comprometida de alguna manera.

Casos de uso

Las firmas digitales se pueden aplicar a varios tipos de documentos y certificados digitales. Como tal, tienen varias aplicaciones. Algunos de los casos de uso más comunes incluyen:

Tecnología de la información. Para mejorar la seguridad de los sistemas de comunicación de Internet.
Finanzas. Las firmas digitales se pueden implementar en auditorías, informes de gastos, acuerdos de préstamos y mucho más.
Jurídico. Firma digital de todo tipo de contratos comerciales y acuerdos legales, incluidos documentos gubernamentales.
Cuidado de la salud. Las firmas digitales pueden prevenir el fraude de recetas y registros médicos.
Blockchain. Los esquemas de firma digital aseguran que solo los propietarios legítimos de las criptomonedas puedan firmar una transacción para mover los fondos (siempre que sus claves privadas no se vean comprometidas).

Limitaciones

Los principales desafíos que enfrentan los esquemas de firma digital se basan en al menos tres requisitos:

Algoritmo. La calidad de los algoritmos utilizados en un esquema de firma digital es importante. Esto incluye la elección de funciones hash confiables y sistemas criptográficos.
Implementación. Si los algoritmos son buenos, pero la implementación no lo es, es probable que el sistema de firma digital presente fallas.
Clave privada. Si las claves privadas se filtran o se ven comprometidas de alguna manera, las propiedades de autenticidad y no repudio serán invalidadas. Para los usuarios de criptomonedas, perder una clave privada puede resultar en pérdidas financieras significativas.

Firmas electrónicas vs. Firmas digitales

En pocas palabras, las firmas digitales se relacionan con un tipo particular de firmas electrónicas, que se refieren a cualquier método electrónico de firma de documentos y mensajes. Por lo tanto, todas las firmas digitales son firmas electrónicas, pero lo contrario no siempre es cierto.

La principal diferencia entre ellos es el método de autenticación. Las firmas digitales implementan sistemas criptográficos, como funciones hash, criptografía de clave pública y técnicas de cifrado.

En conclusión

Las funciones de hash y la criptografía de clave pública son el núcleo de los sistemas de firma digital, que ahora se aplican a una amplia gama de casos de uso. Si se implementan correctamente, las firmas digitales pueden aumentar la seguridad, garantizar la integridad y facilitar la autenticación de todo tipo de datos digitales.

En el ámbito de blockchain, las firmas digitales se utilizan para firmar y autorizar transacciones de criptomonedas. Son particularmente importantes para Bitcoin porque las firmas aseguran que las monedas solo pueden ser gastadas por las personas que poseen las claves privadas correspondientes.

Aunque hemos estado utilizando firmas electrónicas y digitales durante años, todavía hay mucho espacio para crecer. Una gran parte de la burocracia actual todavía se basa en el papeleo, pero probablemente veremos una mayor adopción de esquemas de firma digital a medida que migremos a un sistema más digitalizado.