Что такое цифровая подпись?

Цифровая подпись - это криптографический механизм, который используется для проверки подлинности и целостности цифровых данных. Мы можем рассматривать его как цифровую версию обычных рукописных подписей, но с более высоким уровнем сложности и безопасности.

Выражаясь простыми словами, мы можем описать цифровую подпись как код прикрепленный к сообщению или документу. После его генерации он выступает в качестве доказательства того, что сообщение не было подделано на протяжении своего пути от отправителя к получателю.

Концепция защиты коммуникационных каналов связи с использованием криптографии берет свое начало еще с древних времен, а системы с цифровой подписью появились только в 1970-х годах благодаря развитию криптографии с открытым ключом. По этой причине, чтобы узнать, как работает цифровая подпись, нам для начала необходимо ознакомится с основами хэш-функций и криптографии с открытым ключом.

Хэш-функции

Хеширование является одним из основных элементов системы с цифровой подписью. Процесс хеширования включает в себя преобразование данных любого размера в вывод определенного формата. Это делается с помощью специального вида алгоритмов, также известных как хэш-функции. Данные на выходе, генерируемые хэш-функцией, называются хэшем или дайджестом сообщения.

В сочетании с криптографией, так называемые криптографические хэш-функции могут использоваться для генерации хэша (дайджеста), который выступает в качестве уникального цифрового идентификатора. Это означает, что любое изменение входных данных (сообщения) приводит к совершенно другому выводу (хэшу). По этой причине, криптографические хэш-функции являются популярным инструментом для проверки подлинности цифровых данных.

Криптография с открытым ключом (PKC)

Криптография с открытым ключом или PKC (от англ. Public-key cryptography) относится к криптографической системе, которая использует пару из открытого (публичного) и закрытого (приватного) ключа. Два математически связаны ключа могут использоваться как для шифрования данных, так и для создания цифровой подписи.

Как инструмент шифрования, PKC является более безопасным, в сравнении с его симметричным аналогом. В то время как подобные устаревшие системы используют один и тот же ключ для шифрования и дешифрования информации, PKC позволяет зашифровать данные с помощью публичного ключа и дешифровать их исключительно посредством соответствующего приватного ключа.

Помимо этого, криптография с открытым ключом может использоваться для генерации цифровых подписей. В своей основе данный процесс состоит из хеширования сообщения (или цифровых данных) вместе с приватным ключом подписывающей стороны. После чего получатель сообщения сможет проверить действительность подписи, используя публичный ключ, предоставленный подписывающим лицом.

В некоторых возможных реализациях, цифровые подписи могут включать в себя шифрование, это означает, что данная функция не работает на постоянной основе. Например, в блокчейне биткоина также используются криптография с открытым ключом и цифровые подписи, но в отличие от всеобщего заблуждения, шифрование в его процессах отсутствует. С технической точки зрения, биткоин использует так называемый алгоритм цифровой подписи эллиптической кривой (ECDSA от англ. elliptic curve digital signature algorithm) для аутентификации своих транзакций.

Принцип работы цифровой подписи

В контексте криптовалют, система цифровых подписей зачастую состоит из трех основных этапов, это хеширование, непосредственно сам процесс подписи и ее проверка.

Хеширование данных

Первым шагом является хеширование сообщения или цифровых данных. Это делается путем обработки информации с помощью алгоритма хеширования для генерации непосредственно самого хэша (дайджест сообщения). Как упоминалось ранее, сообщения могут значительно различаться по своему размеру, однако после их хеширования все хэши будут обладать одинаковой длинной. Это одно из самых основных свойств хеш-функции.

Тем не менее, хеширование данных не является обязательным условием для создания цифровой подписи, поскольку вместо этого можно использовать приватный ключ для того, чтобы подписать сообщение. Но если речь идет о криптовалютах, данные всегда хешируются, поскольку работа с дайджестами фиксированной длины упрощает весь процесс обработки информации.

Подпись

После хеширование данных отправитель сообщения должен подписать его, и именно в это момент вступает в игру криптография с открытым ключом. Существует несколько видов алгоритма цифровой подписи, каждый из которых обладает своим уникальным механизмом. Но хешированное сообщение в любом случае будет подписано приватным ключом, а получатель затем сможет проверить его подлинность с помощью соответствующего публичного ключа (предоставленного подписывающим лицом).

Другими словами, если приватный ключ не включен при создании подписи, получатель сообщения не сможет использовать соответствующий публичный ключ для проверки его действительности. Поскольку публичный и приватный ключи генерируются отправителем сообщения, только публичный используется совместно с получателем.

Стоит отметить, что цифровые подписи напрямую взаимосвязаны с содержанием каждого сообщения. Таким образом, в отличие от рукописных подписей, которые как правило одинаковы независимо от контекста документа, каждое сообщение с цифровой подписью будет обладать совершенно другим цифровым идентификатором подписи.

Проверка

Давайте рассмотрим это на примере для того, чтобы лучше проиллюстрировать весь процесс до последнего шага - проверки содержимого. Представьте, что Алиса пишет сообщение Бобу, хеширует его, а затем объединяет хэш со своим приватный ключом для создания цифровой подписи. В данном случае подпись выступает в качестве уникального цифрового идентификатора конкретно этого сообщения.

Когда Боб получает сообщение, он может проверить достоверность цифровой подписи с помощью публичного ключа предоставленного Алисой. Таким образом, Боб может убедиться в том, что подпись была создана именно ей, поскольку только она является обладателем соответствующего приватного ключа (по крайней мере так должно быть).

По этой причине для Алисы крайне важно хранить свой приватный ключ в секрете. Если другой человек завладеет ее приватным ключом, он сможет создавать цифровые подписи и осуществлять операции от ее имени. В контексте первой криптовалюты такая ситуация означает, что кто-то может перемещать или тратить биткоины Алисы без ее разрешения.

В чем важность цифровых подписей?

В основном цифровые подписи предназначены для достижения трех результатов: целостности данных, аутентификации и неотрекаемости.

Целостность данных. Боб может удостовериться, что сообщение Алисы не изменялось на протяжении своего пути. Последствием любых изменений в сообщении будет генерация совершенно другой подписи.
Аутентификация. Пока приватный ключ Алисы хранится в секрете, Боб может использовать ее публичный ключ, чтобы подтвердить факт того, что цифровые подписи были созданы именно Алисой и никем другим.
Неотрекаемость. После того, как подпись была сгенерирована, Алиса не сможет отрицать свое отношение к ней в будущем, только в случае, если ее приватный ключ был каким-то образом скомпрометирован.

Варианты использования

Цифровые подписи могут применяться к различным видам цифровых документов и сертификатов. Таким образом, у них есть несколько направлений, некоторые из наиболее распространенных вариантов использования включают в себя:

Информационные технологии. Повышение безопасности систем интернет-комуникации.
Финансы. Реализация в аудитах, отчетах о расходах, кредитных договорах и многих других финансовых документах.
Юридические вопросы. Использование во всех видах деловых контрактов и юридических соглашениях, включая правительственные документы.
Здравоохранение. Предотвращение мошенничества с рецептами и медицинскими записями.
Блокчейн. Система цифровых подписей гарантирует, что только законные владельцы криптовалюты могут подписать транзакцию для дальнейшего перевода средств (за исключением случаев, когда приватный ключ владельца был скомпроментирован).

Недостатки

Основные проблемы с которыми может столкнутся данная технология зависит по крайней мере от трех составляющих:

Алгоритм. Качество алгоритмов используемых для генерации цифровой подписи имеет крайне важное значение. Это включает в себя выбор надежных хэш-функций и криптографических систем.
Реализация. Если алгоритмы работают правильно, а интеграция технологии цифровых подписей прошла не совсем успешно, система скорее всего будет обладать определенным количеством недостатков.
Приватный ключ. Если произошла утечка приватных ключей или по какой-то причине они были скомпрометированы, свойства аутентификации и неотрекаемости будут признаны недействительными. Для пользователей криптовалюты потеря своего приватного ключа может привести к значительным финансовым потерям.

Электронная подпись против цифровой

Выражаясь простыми словами, цифровые подписи относятся к одному конкретному виду электронных, а также к любому методу электронной подписи документов и сообщений. Таким образом, все цифровые подписи являются подвидом электронных, однако в обратном порядке данное выражение будет не всегда правильным.

Основным отличием между ними является метод аутентификации. Цифровые подписи используют криптографические системы, такие как хэш-функции, криптографию с открытым ключом и методы шифрования.

Заключение

Хэш-функции и криптография с открытым ключом лежат в основе систем с цифровой подписью, которые в настоящее время являются пригодными для широкого спектра применений. При правильной реализации цифровые подписи могут повысить безопасность, обеспечить должную целостность и облегчить аутентификацию всех видов цифровых данных.

В области блокчейн-технологий цифровые подписи используются для авторизации и подписания криптовалютных транзакций. Данная технология является в особенности важной если речь идет о биткоинах, поскольку подписи выступают гарантом того, что монеты могут быть потрачены только теми лицами, которые владеют соответствующими приватными ключами.

Хотя мы годами использовали как электронные, так и цифровые подписи, им еще есть куда развиваться. Большая часть сегодняшней бюрократии все еще основана на бумажной работе, но мы скорее всего станем свидетелями более широкого внедрения цифровых подписей, когда перейдем к более цифровому виду систем обработки данных.