Was ist eine digitale Signatur (Unterschrift)?
Grundlagen
Das Konzept der Sicherstellung der Authentizität und Integrität digitaler Daten wird durch einen kryptografischen Mechanismus ermöglicht, der als digitale Signatur bekannt ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen handschriftlichen Unterschriften sind digitale Signaturen komplexer und bieten ein höheres Maß an Sicherheit.
Eine digitale Signatur kann als ein Code definiert werden, der an eine Nachricht oder ein Dokument angehängt wird und beweist, dass die Nachricht während der Übertragung zwischen Absender und Empfänger nicht verändert worden ist.
Die Kryptographie wird zwar schon seit der Antike zur Sicherung der Kommunikation eingesetzt, aber erst mit der Entwicklung der Public-Key-Kryptographie in den 1970er Jahren wurden digitale Unterschriftssysteme realisierbar. Um zu verstehen, wie digitale Signaturen funktionieren, muss man also zunächst die Grundlagen der Hash-Funktionen und der Public-Key-Kryptographie verstehen.
Die Hash-Funktionen
Digitale Signatursysteme stützen sich in hohem Maße auf Hash-Funktionen, die für die Umwandlung von Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe fester Größe unerlässlich sind. Hash-Funktionen sind eindeutige Algorithmen, die einen Hash-Wert oder einen Hash-Digest erzeugen und somit ein wesentlicher Bestandteil der Erzeugung eindeutiger digitaler Fingerabdrücke sind. Durch die Verwendung von kryptografischen Hash-Funktionen in Kombination mit Kryptografie wird der resultierende Hash-Wert oder Digest zu einem zuverlässigen Mittel zur Überprüfung der Authentizität digitaler Daten. Jede Änderung der Eingabedaten oder der Nachricht führt zu einer völlig anderen Ausgabe oder einem anderen Hash-Wert. Daher werden kryptografische Hash-Funktionen inzwischen häufig zur Überprüfung der Authentizität digitaler Daten verwendet.
Public-Key Cryptography (PKC)
Die Public-Key-Kryptografie ist eine kryptografische Technik, bei der zwei mathematisch verbundene Schlüssel verwendet werden: ein öffentlicher und ein privater. Diese Schlüssel können sowohl für die Datenverschlüsselung als auch für digitale Signaturen verwendet werden, was PKC zu einem sichereren Verschlüsselungsinstrument macht als herkömmliche symmetrische Verschlüsselungsmethoden.
Die Besonderheit von PKC besteht darin, dass für die Datenverschlüsselung der öffentliche Schlüssel verwendet wird, während der entsprechende private Schlüssel für die Datenentschlüsselung genutzt wird. Dieser Ansatz überwindet die Einschränkungen älterer Systeme, die für die Ver- und Entschlüsselung denselben Schlüssel verwenden.
Abgesehen von seinen Verschlüsselungsfähigkeiten kann PKC auch digitale Signaturen erzeugen. Bei diesem Verfahren wird der private Schlüssel des Unterzeichners verwendet, um eine Nachricht oder digitale Daten zu hacken. Der Empfänger der Nachricht kann dann die Gültigkeit der Signatur mit dem öffentlichen Schlüssel des Unterzeichners überprüfen.
Obwohl einige digitale Signaturen eine Verschlüsselung beinhalten können, ist dies beim PKC-Schema nicht immer erforderlich. Die Bitcoin-Blockchain zum Beispiel verwendet PKC und digitale Signaturen, aber keine Verschlüsselung. Stattdessen verwendet Bitcoin den Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), um Transaktionen zu authentifizieren.
Wie funktionieren digitale Signaturen?
Bei Kryptowährungen folgen digitale Signatursysteme häufig drei wesentlichen Schritten: Hashing, Signieren und Verifizieren.
Das Hashing ist der erste Schritt und beinhaltet die Übermittlung einer Nachricht oder digitaler Daten durch einen Hash-Algorithmus, um einen Hash-Wert mit fester Länge zu erzeugen. Obwohl Hashing nicht erforderlich ist, um eine digitale Signatur zu erstellen, wird es in der Regel bei Kryptowährungen verwendet, da es den Prozess vereinfacht.
Nach dem Hashing signiert der Absender der Nachricht diese mit seinem privaten Schlüssel. Der Algorithmus für die digitale Signatur kann variieren, aber der Empfänger verifiziert die resultierende Signatur mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel des Unterzeichners.
Im Gegensatz zu handschriftlichen Unterschriften, die oft unabhängig von der Nachricht gleich sind, sind digitale Signaturen für jede Nachricht einzigartig. Wenn Bob die Nachricht erhält, kann er die digitale Signatur mit dem von Alice bereitgestellten öffentlichen Schlüssel überprüfen. Dadurch wird sichergestellt, dass nur Alice, die den entsprechenden privaten Schlüssel besitzt, die Signatur erstellt haben kann.
Um unbefugten Zugriff zu verhindern, muss Alice ihren privaten Schlüssel geheim halten. Wenn jemand anderes Zugang zu diesem Schlüssel hat, kann er digitale Signaturen erstellen und sich als Alice ausgeben. Im Zusammenhang mit Bitcoin könnte dies unautorisierte Transaktionen und Überweisungen von Bitcoins ermöglichen.
Nach dem Hashing signiert der Absender der Nachricht diese mit seinem privaten Schlüssel. Der Algorithmus für die digitale Signatur kann variieren, aber der Empfänger verifiziert die resultierende Signatur mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel des Unterzeichners.Warum sind digitale Signaturen notwendig?
Die digitale Signaturen dienen drei Hauptzwecken: Datenintegrität, Authentifizierung und Nichtabstreitbarkeit.
Was die Datenintegrität betrifft, so stellen digitale Signaturen sicher, dass Nachrichten während der Übertragung unverändert bleiben. Wenn jemand die Nachricht verändert, ändert sich die Signatur und macht den Empfänger darauf aufmerksam, dass die Nachricht manipuliert wurde.
Die Authentifizierung ist ein weiterer wichtiger Aspekt digitaler Signaturen. Indem sie den privaten Schlüssel sicher aufbewahrt, kann Alice mit ihrem öffentlichen Schlüssel nachweisen, dass sie die Urheberin der Signatur ist. Auf diese Weise kann Bob überprüfen, ob Alice die Nachricht abgeschickt hat und nicht jemand anderes, der sich als sie ausgibt.
Schließlich bieten digitale Signaturen die Möglichkeit der Nichtabstreitbarkeit, d. h. Alice kann nicht leugnen, die Nachricht gesendet zu haben, nachdem sie die Signatur erstellt und gesendet hat. Solange Alices privater Schlüssel nicht kompromittiert ist, kann niemand anders diese spezielle Signatur erstellt haben.
Die Einsatzfälle
Die Verwendung digitaler Signaturen erstreckt sich auf verschiedene Bereiche wie Informationstechnologie, Finanzen, Recht, Gesundheitswesen und Blockchain.
In der Informationstechnologie können digitale Signaturen verwendet werden, um die Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen zu erhöhen. Dadurch wird die Integrität und Vertraulichkeit digitaler Dokumente verbessert.
Im Finanzsektor können digitale Signaturen für Prüfungen, Spesenabrechnungen, Kreditverträge und andere Finanztransaktionen eingesetzt werden. Durch den Einsatz digitaler Signaturen können Prozesse rationalisiert und Fehler reduziert werden.
Juristische Dokumente wie Geschäftsverträge und behördliche Dokumente können digital signiert werden, wodurch die Authentizität sichergestellt und Betrug verhindert wird.
Im Gesundheitswesen können digitale Signaturen verwendet werden, um die Gültigkeit von Rezepten und medizinischen Unterlagen zu überprüfen und so das Risiko von Betrug zu verringern.
Im Zusammenhang mit der Blockchain-Technologie stellen digitale Unterschriftenverfahren sicher, dass nur die rechtmäßigen Eigentümer von Kryptowährungen eine Transaktion unterzeichnen können, um Geldmittel zu bewegen. Dies gewährleistet die Sicherheit und Integrität des Blockchain-Netzwerks, solange die privaten Schlüssel sicher aufbewahrt werden.
Die Begrenzungen
Um die Sicherheit digitaler Signaturverfahren zu gewährleisten, müssen mindestens drei Anforderungen erfüllt werden: die richtige Auswahl des Algorithmus, eine wirksame Implementierung und die Sicherung der privaten Schlüssel. Die Qualität des Algorithmus ist ausschlaggebend für ein zuverlässiges digitales Signatursystem, was die Auswahl vertrauenswürdiger Hash-Funktionen und kryptografischer Systeme erfordert. Doch selbst bei guten Algorithmen kann eine unsachgemäße Implementierung zu Mängeln im digitalen Signatursystem führen. Wenn schließlich private Schlüssel durchsickern oder kompromittiert werden, sind Authentizität und Unleugbarkeit gefährdet, und für Kryptowährungsnutzer kann der Verlust eines privaten Schlüssels zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.
Die elektronische Signaturen vs. digitale Signaturen
Die Authentifizierungsmethode ist der Hauptunterschied zwischen elektronischen und digitalen Signaturen. Während elektronische Signaturen alle elektronischen Methoden zur Unterzeichnung von Dokumenten und Nachrichten umfassen, verwenden digitale Signaturen speziell kryptographische Systeme wie Hash-Funktionen, Public-Key-Kryptographie und Verschlüsselungstechniken. Daher werden alle digitalen Signaturen als elektronische Signaturen betrachtet, aber nicht alle elektronischen Signaturen sind digitale Signaturen.
Fazit
Die Anwendung digitaler Signatursysteme umfasst ein breites Spektrum von Anwendungsfällen und stützt sich auf Kernkomponenten wie Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptografie. Wenn diese Systeme richtig implementiert sind, bieten sie mehr Sicherheit, gewährleisten die Datenintegrität und erleichtern die Authentifizierung aller Arten von digitalen Daten.
Im Zusammenhang mit der Blockchain-Technologie sind digitale Signaturen für die Autorisierung und Unterzeichnung von Kryptowährungstransaktionen unerlässlich, insbesondere im Fall von Bitcoin. Diese Signaturen garantieren, dass nur die Besitzer der entsprechenden privaten Schlüssel die zugehörigen Münzen ausgeben können.
Trotz der jahrelangen Nutzung elektronischer und digitaler Signaturen gibt es noch viel Potenzial für Wachstum. Gegenwärtig wird ein erheblicher Teil der bürokratischen Prozesse weiterhin auf Papierbasis abgewickelt. Mit der fortschreitenden Digitalisierung ist jedoch zu erwarten, dass sich digitale Signaturen in Zukunft stärker durchsetzen werden.