Цифровий підпис – це криптографічний механізм, який використовується для перевірки справжності та цілісності цифрових даних. Ми можемо розглядати його як цифрову версію звичайних рукописних підписів, але з вищим рівнем складності та безпеки.
Простіше кажучи, ми можемо описати цифровий підпис як код, що прикріплений до повідомлення або документа. Після створення, код діє як доказ того, що повідомлення не було підроблено на шляху від відправника до одержувача.
Хоча концепція захисту зв'язку з використанням криптографії походить від давніх часів, схеми цифрового підпису стали можливою реальністю в 1970-х роках завдяки розвитку криптографії з відкритим ключем (PKC). Отже, щоб дізнатися, як працюють цифрові підписи, нам потрібно спочатку зрозуміти основи хеш-функцій та криптографії з відкритим ключем.
Хеш-функції
Хешування є одним з основних елементів системи цифрового підпису. Процес хешування це перетворення даних будь-якого розміру у вихідні дані фіксованого розміру. Це робиться за допомогою особливого виду алгоритмів, відомих як хеш-функції. Вихід, згенерований хеш-функцією, відомий як хеш-значення або дайджест повідомлення.
У поєднанні з криптографією, так звані криптографічні хеш-функції можуть використовуватися для генерації хеш-значення (дайджеста), що діє як унікальний цифровий відбиток пальця. Це означає, що будь-яка зміна вхідних даних (повідомлення) призведе до іншого результату (хеш-значення). Саме з цієї причини криптографічні хеш-функції широко використовуються для перевірки цифрових даних.
Криптографія з відкритим ключем (PKC)
Криптографія з відкритим ключем або PKC відноситься до криптографічної системи, в якій використовується пара ключів: один відкритий ключ і один приватний ключ. Два ключі математично пов'язані та можуть використовуватися як для шифрування даних, так і цифрових підписів.
Як інструмент шифрування, PKC безпечніший, ніж простіші методи симетричного шифрування. У той час як старі системи покладаються на один і той же ключ для шифрування та дешифрування інформації, PKC дозволяє виконувати шифрування даних за допомогою публічного ключа і розшифрування даних за допомогою відповідного приватного ключа.
Крім цього, схема PKC також може застосовуватися під час створення цифрових підписів. По суті процес складається з хешування повідомлення (або цифрових даних) разом із приватним ключем підписанта. Потім одержувач повідомлення може перевірити, чи дійсний підпис, використовуючи відкритий ключ, наданий підписантом.
У деяких ситуаціях цифрові підписи можуть містити шифрування, але це не завжди так. Наприклад, блокчейн Bitcoin використовує PKC та цифрові підписи, але, попри думку багатьох, у цьому процесі немає шифрування. Технічно Bitcoin використовує так званий алгоритм цифрового підпису на еліптичних кривих (ECDSA) для аутентифікації транзакцій.
Як працюють цифрові підписи
У контексті криптовалют система цифрового підпису часто складається з трьох основних етапів: хешування, підпису та перевірки.
Хешування даних
Першим кроком є хешування повідомлення чи цифрових даних. Це робиться шляхом надсилання даних за допомогою алгоритму хешування для створення хеш-значення (тобто дайджеста повідомлення). Як згадувалося, повідомлення можуть значно відрізнятися за розміром, але коли вони хешуються, всі їхні хеш-значення мають однакову довжину. Це основна властивість хеш-функції.
Однак хешування даних не є обов'язковим для створення цифрового підпису, оскільки можна використовувати приватний ключ для підпису повідомлення, яке взагалі не було хешовано. Але для криптовалют дані завжди хешуються, тому що робота з дайджестами фіксованої довжини спрощує весь процес.
Підписання
Після хешування інформації, відправнику повідомлення необхідно підписати його. Це момент, коли в гру вступає криптографія з відкритим ключем. Існує кілька типів алгоритмів цифрового підпису, кожен із яких має власний механізм. Але, по суті, хешоване повідомлення буде підписано приватним ключем, і одержувач повідомлення зможе потім перевірити його достовірність за допомогою відповідного приватного ключа (наданого підписантом).
Іншими словами, якщо приватний ключ не увімкнений під час створення підпису, одержувач повідомлення не зможе використовувати відповідний відкритий ключ для перевірки його достовірності. І відкритий, і приватний ключі генеруються відправником повідомлення, але відкритий ключ передається одержувачу.
Варто зазначити, що цифрові підписи напряму пов'язані зі змістом кожного повідомлення. Таким чином, на відміну від рукописних підписів, які, як правило, однакові незалежно від повідомлення, кожне повідомлення з цифровим підписом матиме різний цифровий підпис.
Перевірка
Візьмемо приклад, щоб проілюструвати весь процес до останнього кроку перевірки. Уявіть, що Аліса пише повідомлення Бобу, хешує його, а потім поєднує хеш-значення зі своїм приватним ключем для створення цифрового підпису. Підпис буде працювати як унікальний цифровий відбиток цього повідомлення.
Коли Боб отримує повідомлення, він може перевірити дійсність цифрового підпису, використовуючи відкритий ключ, наданий Алісою. Таким чином, Боб може бути впевнений, що підпис був створений Алісою, тому що тільки вона має приватний ключ, який відповідає цьому відкритому ключу (принаймні, це те, що ми очікуємо).
Тому для Аліси дуже важливо зберігати свій приватний ключ у секреті. Якщо інша людина отримає приватний ключ Аліси, вона зможе створити цифровий підпис і видати себе за Алісу. У контексті Bitcoin це означає, що хтось може використовувати приватний ключ Аліси, щоб переміщати або витрачати її Bitcoin без її дозволу.
Чому цифрові підписи є важливими?
Цифрові підписи часто використовуються для досягнення трьох результатів: цілісності даних, аутентифікації та безвідмовності.
Цілісність даних. Боб може переконатися, що повідомлення Аліси не змінилося на шляху. Будь-яка модифікація повідомлення призведе до створення зовсім іншого підпису.
Автентичність. За умови, що приватний ключ Аліси зберігається в секреті, Боб може використовувати її відкритий ключ, щоб перевірити, що цифрові підписи були створені Алісою та ніким іншим.
Безвідмовність. Як тільки підпис буде згенерований, Аліса не зможе заперечувати, що підписала його в майбутньому, якщо тільки її приватний ключ не буде скомпрометований.
Варіанти використання
Цифрові підписи можуть застосовуватись до різних видів цифрових документів та сертифікатів. Таким чином, вони мають кілька застосувань. Деякі з найпоширеніших варіантів використання:
Інформаційні технології: підвищення безпеки систем інтернет-комунікацій.
Фінанси: цифрові підписи можуть застосовуватися до аудитів, звітів про витрати, кредитних договорів та багато іншого.
Законне регулювання: цифрове підписання всіх видів ділових контрактів та юридичних угод, зокрема державних документів.
Охорона здоров'я: цифрові підписи можуть запобігти підробленню рецептів та медичних карток.
Блокчейн: схеми цифрового підпису гарантують, що лише законні власники криптовалюти зможуть підписати транзакцію для переміщення коштів (за умови, що їхні приватні ключі не будуть скомпрометовані).
Обмеження
Основні проблеми, з якими стикаються схеми цифрового підпису, засновані як мінімум на трьох вимогах:
Алгоритм: важлива якість алгоритмів, що використовуються у схемі цифрового підпису. Це, зокрема, вибір надійних хеш-функцій і криптографічних систем.
Реалізація: якщо алгоритми хороші, а реалізація відсутня, система цифрового підпису, швидше за все, матиме недоліки.
Приватний ключ: якщо приватні ключі втрачені або якимось чином скомпрометовані, властивості автентичності та безвідмовності будуть анульовані. Для користувачів криптовалют, втрата приватного ключа може спричинити значні фінансові втрати.
Електронні підписи проти цифрових підписів
Цифрові підписи відносяться до одного конкретного виду електронних підписів, які належать до будь-якого електронного методу підписання документів та повідомлень. Таким чином, всі цифрові підписи є електронними підписами, однак не навпаки.
Основна відмінність між ними полягає у методі аутентифікації. Цифрові підписи використовують криптографічні системи, такі як хеш-функції, криптографію з відкритим ключем і методи шифрування.
Підсумки
Хеш-функції та криптографія з відкритим ключем лежать в основі систем цифрового підпису, які наразі мають багато варіантів використання. При правильному застосуванні, цифрові підписи можуть підвищити безпеку, забезпечити цілісність та полегшити автентифікацію всіх видів цифрових даних.
У сфері блокчейну цифрові підписи використовуються для підпису та авторизації криптотранзакцій. Вони особливо важливі для Bitcoin, тому що підписи гарантують, що монети можуть бути витрачені лише тими людьми, які мають відповідні приватні ключі.
Хоча ми вже багато років використовуємо як електронні, так і цифрові підписи, нам ще є куди зростати. Більшість сьогоднішньої бюрократії все ще ґрунтується на паперовій роботі, але ми швидше за все станемо свідками ширшого прийняття цифрових підписів, коли перейдемо до більш цифрового виду систем обробки даних.