Что такое цифровая подпись?

Основы

Концепция обеспечения подлинности и целостности цифровых данных реализуется с помощью криптографического механизма, называемого цифровой подписью. В отличие от обычных рукописных подписей, цифровые подписи более сложны и обеспечивают более высокий уровень безопасности.

Цифровую подпись можно определить как код, прикреплённый к сообщению или документу, который доказывает, что сообщение не было изменено при передаче от отправителя к получателю.

Хотя криптография использовалась для защиты коммуникаций с древних времён, только с развитием криптографии с открытым ключом в 1970-х годах схемы цифровых подписей стали практическими. Поэтому, чтобы понять, как работают цифровые подписи, сначала необходимо освоить основы хеш-функций и криптографии с открытым ключом.

Хеш-функции

Системы цифровых подписей во многом опираются на хеш-функции, которые преобразуют данные любого размера в выход фиксированной длины. Хеш-функции — это специальные алгоритмы, которые генерируют хеш-значение или дайджест сообщения и тем самым служат для получения уникальных цифровых отпечатков. Используя криптографические хеш-функции в сочетании с криптографией, полученное хеш-значение становится надёжным средством проверки подлинности цифровых данных. Любое изменение входных данных или сообщения приведёт к полностью иному выходу или хеш-значению. Поэтому криптографические хеш-функции широко применяются для проверки подлинности данных.

Криптография с открытым ключом (PKC) 

Криптография с открытым ключом — это метод, использующий две математически связанные ключевые пары: открытый и приватный (закрытый). Эти ключи могут применяться как для шифрования данных, так и для создания цифровых подписей, что делает PKC более безопасным инструментом по сравнению с традиционными симметричными методами шифрования.

Особенность PKC в том, что для шифрования данных используется открытый ключ, а соответствующий ему приватный ключ — для расшифровки. Такой подход устраняет ограничения старых систем, где для шифрования и расшифровки использовался один и тот же ключ.

Помимо функции шифрования, PKC также позволяет создавать цифровые подписи. Этот процесс включает использование приватного ключа подписанта для хеширования сообщения или цифровых данных. Получатель сообщения затем может проверить корректность подписи, используя открытый ключ, предоставленный подписантом.

Хотя некоторые цифровые подписи могут включать шифрование, сама схема PKC не всегда требует его. Например, блокчейн Биткоина использует PKC и цифровые подписи, но не применяет шифрование сообщений. Вместо этого Bitcoin использует алгоритм цифровой подписи на эллиптических кривых (ECDSA) для аутентификации транзакций.

Как работают цифровые подписи? 

В криптовалютах системы цифровых подписей обычно включают три ключевых шага: хеширование, подпись и верификация.

Хеширование — первый шаг, при котором сообщение или цифровые данные пропускаются через хеш‑алгоритм для получения хеша фиксированной длины. Хотя хеширование не обязательно для создания цифровой подписи, в криптовалютах его обычно используют, поскольку это упрощает процесс.

После хеширования отправитель подписывает сообщение с помощью своего приватного ключа. Алгоритм цифровой подписи может различаться, но получатель проверит полученную подпись, используя соответствующий открытый ключ, предоставленный подписантом.

В отличие от рукописных подписей, которые часто одинаковы независимо от сообщения, цифровые подписи уникальны для каждого сообщения. Когда Боб получает сообщение, он может проверить цифровую подпись с помощью открытого ключа, предоставленного Алисой. Это гарантирует, что подпись мог создать только тот, у кого есть соответствующий приватный ключ — то есть сама Алиса.

Чтобы предотвратить несанкционированный доступ, Алисе необходимо хранить приватный ключ в секрете. Если кто‑то другой получит к нему доступ, он сможет создавать подписи, выдавая себя за Алису. В контексте Bitcoin это может привести к несанкционированным транзакциям и переводу биткоинов.

Зачем нужны цифровые подписи? 

Цифровые подписи выполняют три основные функции: обеспечение целостности данных, аутентификация и неотказуемость.

В части целостности данных цифровые подписи гарантируют, что сообщения не изменяются при передаче. Если кто‑то изменит сообщение, подпись изменится, оповестив получателя о вмешательстве.

Аутентификация — ещё один важный аспект цифровых подписей. При надёжном хранении приватного ключа Алиса может использовать свой открытый ключ, чтобы доказать, что именно она создала подпись. Таким образом Боб может убедиться, что сообщение отправила Алиса, а не кто‑то, выдающий себя за неё.

Наконец, цифровые подписи обеспечивают неотказуемость: Алиса не сможет отказаться от факта отправки сообщения после создания и отправки подписи. Если приватный ключ Алисы не скомпрометирован, никто другой не мог создать именно эту подпись.

Сферы применения 

Применение цифровых подписей охватывает разные области: информационные технологии, финансы, юриспруденцию, здравоохранение и блокчейн, среди прочих.

В информационных технологиях цифровые подписи можно использовать для повышения безопасности интернет‑систем связи. Это усиливает целостность и конфиденциальность цифровых документов.

В финансовом секторе цифровые подписи применяют для аудитов, отчётов по расходам, кредитных соглашений и других финансовых операций. Их использование упрощает процессы и снижает количество ошибок.

Юридические документы, такие как коммерческие контракты и государственные бумаги, можно подписывать в цифровом виде, что обеспечивает подлинность и предотвращает мошенничество.

В здравоохранении цифровые подписи используют для подтверждения подлинности рецептов и медицинских записей, снижая риск мошенничества.

В контексте технологии блокчейн схемы цифровых подписей гарантируют, что только законные владельцы криптовалюты могут подписать транзакцию на перевод средств. Это обеспечивает безопасность и целостность сети блокчейн при условии надёжного хранения приватных ключей.

Ограничения

Для обеспечения безопасности схем цифровых подписей необходимо выполнить, по меньшей мере, три условия: корректный выбор алгоритма, надёжная реализация и защита приватных ключей. Качество алгоритма критично для получения надёжной схемы цифровой подписи, что требует выбора проверенных хеш‑функций и криптографических систем. Однако даже при хорошем алгоритме неправильная реализация может привести к уязвимостям. Наконец, если приватные ключи утекут или будут скомпрометированы, под угрозой окажутся подлинность и неотказуемость, а для пользователей криптовалют потеря приватного ключа может повлечь значительные финансовые потери.

Электронные подписи и цифровые подписи 

Основное различие между электронными и цифровыми подписями заключается в методе аутентификации. В то время как электронные подписи охватывают все электронные способы подписания документов и сообщений, цифровые подписи используют криптографические механизмы, такие как хеш‑функции, криптография с открытым ключом и методы шифрования. Поэтому все цифровые подписи являются электронными, но не все электронные подписи являются цифровыми.

Заключение

Системы цифровых подписей применяются в самых разных областях и базируются на ключевых компонентах, таких как хеш‑функции и криптография с открытым ключом. При правильной реализации эти системы повышают безопасность, обеспечивают целостность данных и упрощают аутентификацию любых цифровых сведений.

В контексте блокчейн‑технологий цифровые подписи необходимы для авторизации и подписания транзакций с криптовалютой, особенно в случае Bitcoin. Такие подписи гарантируют, что тратить соответствующие монеты могут только владельцы приватных ключей.

Несмотря на многолетнее использование электронных и цифровых подписей, потенциал для роста остаётся высоким. Сейчас значительная часть бюрократических процессов всё ещё опирается на бумажные процедуры. Однако по мере продолжающейся цифровизации мы, вероятно, увидим более широкое распространение схем цифровых подписей в будущем.