Eine digitale Signatur ist ein kryptografischer Mechanismus zur Überprüfung der Authentizität und Integrität digitaler Daten. Wir können es als eine digitale Version der gewöhnlichen handschriftlichen Unterschriften betrachten, jedoch mit einem höheren Maß an Komplexität und Sicherheit.

Vereinfacht ausgedrückt können wir eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der einer Nachricht oder einem Dokument beigefügt wird. Nach der Generierung dient der Code als Beweis dafür, dass die Nachricht auf ihrem Weg vom Absender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

Obwohl das Konzept der Sicherung der Kommunikation mittels Kryptografie bereits in der Antike existiert, wurden digitale Signatursysteme in den 1970er Jahren dank der Entwicklung der Public-Key-Kryptografie (Public-Key Cryptography, PKC) zur möglichen Realität. Um also zu lernen, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen von Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptographie verstehen.


Hash-Funktionen

Hashing ist eines der Kernelemente eines digitalen Signatursystems. Beim Hashing werden Daten beliebiger Größe in eine Ausgabe mit fester Größe umgewandelt. Dies geschieht durch eine spezielle Art von Algorithmen, die als Hash-Funktionen bezeichnet werden. Die von einer Hash-Funktion generierte Ausgabe wird als Hash-Wert oder Message Digest bezeichnet.

In Kombination mit Kryptografie können die sogenannten kryptografischen Hashfunktionen verwendet werden, um einen Hashwert (Digest) zu generieren, der als eindeutiger digitaler Fingerabdruck fungiert. Dies bedeutet, dass jede Änderung der Eingabedaten (Nachricht) zu einer völlig anderen Ausgabe (Hashwert) führen würde. Aus diesem Grund werden kryptografische Hashfunktionen häufig verwendet, um die Authentizität digitaler Daten zu überprüfen.


Public-Key-Kryptographie (PKC)

Public-Key-Kryptographie (PKC) bezeichnet ein kryptographisches System, das ein Schlüsselpaar verwendet: einen öffentlichen und einen privaten Schlüssel. Die beiden Schlüssel sind mathematisch miteinander verbunden und können sowohl für die Datenverschlüsselung als auch für digitale Signaturen verwendet werden.

Als Verschlüsselungstool ist PKC sicherer als die rudimentäreren Methoden der symmetrischen Verschlüsselung. Während ältere Systeme zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Informationen auf denselben Schlüssel angewiesen sind, ermöglicht PKC die Datenverschlüsselung mit dem öffentlichen Schlüssel und die Datenentschlüsselung mit dem entsprechenden privaten Schlüssel.

Darüber hinaus kann das PKC-Schema auch bei der Generierung digitaler Signaturen angewendet werden. Im Wesentlichen besteht der Prozess darin, eine Nachricht (oder digitale Daten) zusammen mit dem privaten Schlüssel des Unterzeichners zu hashen. Anschließend kann der Empfänger der Nachricht mithilfe des vom Unterzeichner bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen, ob die Signatur gültig ist.

In manchen Situationen können digitale Signaturen eine Verschlüsselung beinhalten, aber das ist nicht immer der Fall. Die Bitcoin-Blockchain verwendet beispielsweise PKC und digitale Signaturen, aber anders als viele glauben, findet dabei keine Verschlüsselung statt. Technisch gesehen verwendet Bitcoin den sogenannten Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), um Transaktionen zu authentifizieren.


So funktionieren digitale Signaturen

Im Kontext von Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem oft aus drei grundlegenden Schritten: Hashen, Signieren und Verifizieren.

Hashen der Daten

Der erste Schritt besteht darin, die Nachricht oder die digitalen Daten zu hashen. Dies geschieht, indem die Daten einem Hash-Algorithmus unterzogen werden, sodass ein Hash-Wert (also der Message Digest) generiert wird. Wie bereits erwähnt, können die Nachrichten in ihrer Größe erheblich variieren, aber wenn sie gehasht werden, haben alle ihre Hash-Werte die gleiche Länge. Dies ist die grundlegendste Eigenschaft einer Hash-Funktion.

Das Hashen der Daten ist jedoch kein Muss, um eine digitale Signatur zu erstellen, da man mit einem privaten Schlüssel eine Nachricht signieren kann, die überhaupt nicht gehasht wurde. Bei Kryptowährungen werden die Daten jedoch immer gehasht, da der Umgang mit Digests fester Länge den gesamten Prozess erleichtert.

Unterzeichnung

Nachdem die Informationen gehasht wurden, muss der Absender der Nachricht sie signieren. An diesem Punkt kommt die Public-Key-Kryptographie ins Spiel. Es gibt verschiedene Arten von digitalen Signaturalgorithmen, jeder mit seinem eigenen Mechanismus. Im Wesentlichen wird die gehashte Nachricht jedoch mit einem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger der Nachricht kann dann ihre Gültigkeit mithilfe des entsprechenden öffentlichen Schlüssels (der vom Unterzeichner bereitgestellt wird) überprüfen.

Anders ausgedrückt: Wenn der private Schlüssel bei der Generierung der Signatur nicht enthalten ist, kann der Empfänger der Nachricht den entsprechenden öffentlichen Schlüssel nicht verwenden, um deren Gültigkeit zu überprüfen. Sowohl der öffentliche als auch der private Schlüssel werden vom Absender der Nachricht generiert, aber nur der öffentliche Schlüssel wird mit dem Empfänger geteilt.

Es ist wichtig zu beachten, dass digitale Signaturen direkt mit dem Inhalt jeder Nachricht verknüpft sind. Im Gegensatz zu handschriftlichen Signaturen, die unabhängig von der Nachricht meist gleich sind, hat jede digital signierte Nachricht eine andere digitale Signatur.

Überprüfen

Nehmen wir ein Beispiel, um den gesamten Prozess bis zum letzten Schritt der Verifizierung zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Alice schreibt eine Nachricht an Bob, hasht sie und kombiniert dann den Hashwert mit ihrem privaten Schlüssel, um eine digitale Signatur zu generieren. Die Signatur fungiert als eindeutiger digitaler Fingerabdruck dieser bestimmten Nachricht.

Wenn Bob die Nachricht erhält, kann er die Gültigkeit der digitalen Signatur mithilfe des von Alice bereitgestellten öffentlichen Schlüssels überprüfen. Auf diese Weise kann Bob sicher sein, dass die Signatur von Alice erstellt wurde, da nur sie den privaten Schlüssel besitzt, der diesem öffentlichen Schlüssel entspricht (zumindest erwarten wir das).

Daher ist es für Alice von entscheidender Bedeutung, ihren privaten Schlüssel geheim zu halten. Wenn eine andere Person Alices privaten Schlüssel in die Hände bekommt, kann sie digitale Signaturen erstellen und sich als Alice ausgeben. Im Zusammenhang mit Bitcoin bedeutet dies, dass jemand Alices privaten Schlüssel verwenden könnte, um ihre Bitcoins ohne ihre Erlaubnis zu verschieben oder auszugeben.


Warum sind digitale Signaturen wichtig?

Digitale Signaturen werden häufig verwendet, um drei Ergebnisse zu erzielen: Datenintegrität, Authentifizierung und Nichtabstreitbarkeit.

  • Datenintegrität. Bob kann überprüfen, dass Alices Nachricht unterwegs nicht verändert wurde. Jede Änderung in der Nachricht würde eine völlig andere Signatur erzeugen.

  • Authentizität.  Solange Alices privater Schlüssel geheim bleibt, kann Bob ihren öffentlichen Schlüssel verwenden, um zu bestätigen, dass die digitalen Signaturen von Alice und niemand anderem erstellt wurden.

  • Nichtabstreitbarkeit. Sobald die Signatur erstellt wurde, kann Alice in Zukunft nicht mehr leugnen, sie unterschrieben zu haben, es sei denn, ihr privater Schlüssel wird irgendwie kompromittiert.


Anwendungsfälle

Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten digitaler Dokumente und Zertifikate angewendet werden. Daher haben sie mehrere Anwendungsfälle. Zu den häufigsten Anwendungsfällen gehören:

  • Informationstechnologie. Zur Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.

  • Finanzen.  Digitale Signaturen können in Prüfungen, Spesenabrechnungen, Darlehensverträgen und vielem mehr implementiert werden.

  • Rechtliches.  Digitale Unterzeichnung aller Arten von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich behördlicher Dokumente.

  • Gesundheitswesen. Digitale Signaturen können den Betrug bei Rezepten und Krankenakten verhindern.

  • Blockchain. Digitale Signatursysteme stellen sicher, dass nur die rechtmäßigen Besitzer der Kryptowährungen eine Transaktion unterzeichnen können, um Gelder zu überweisen (solange ihre privaten Schlüssel nicht kompromittiert sind).


Einschränkungen

Die größten Herausforderungen für digitale Signatursysteme beruhen auf mindestens drei Anforderungen:

  • Algorithmus. Die Qualität der in einem digitalen Signaturschema verwendeten Algorithmen ist wichtig. Dazu gehört die Wahl zuverlässiger Hash-Funktionen und kryptografischer Systeme.

  • Implementierung: Wenn die Algorithmen gut sind, die Implementierung jedoch nicht, weist das digitale Signatursystem wahrscheinlich Mängel auf.

  • Privater Schlüssel. Wenn die privaten Schlüssel verloren gehen oder auf andere Weise kompromittiert werden, werden die Eigenschaften der Authentizität und Nichtabstreitbarkeit ungültig. Für Benutzer von Kryptowährungen kann der Verlust eines privaten Schlüssels zu erheblichen finanziellen Verlusten führen.


Elektronische Signaturen vs. digitale Signaturen

Einfach ausgedrückt beziehen sich digitale Signaturen auf eine bestimmte Art elektronischer Signaturen, die sich auf jede elektronische Methode zum Unterzeichnen von Dokumenten und Nachrichten beziehen. Daher sind alle digitalen Signaturen elektronische Signaturen, aber das Gegenteil ist nicht immer der Fall.

Der Hauptunterschied zwischen ihnen besteht in der Authentifizierungsmethode. Digitale Signaturen verwenden kryptografische Systeme wie Hash-Funktionen, Public-Key-Kryptografie und Verschlüsselungstechniken.


Abschließende Gedanken

Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptographie bilden den Kern digitaler Signatursysteme, die heute in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden. Bei richtiger Implementierung können digitale Signaturen die Sicherheit erhöhen, die Integrität gewährleisten und die Authentifizierung aller Arten digitaler Daten erleichtern.

Im Blockchain-Bereich werden digitale Signaturen verwendet, um Kryptowährungstransaktionen zu signieren und zu autorisieren. Sie sind für Bitcoin besonders wichtig, da die Signaturen sicherstellen, dass Münzen nur von Personen ausgegeben werden können, die über die entsprechenden privaten Schlüssel verfügen.

Obwohl wir seit Jahren sowohl elektronische als auch digitale Signaturen verwenden, gibt es noch viel Raum für Wachstum. Ein großer Teil der heutigen Bürokratie basiert immer noch auf Papierkram, aber im Zuge der Migration zu einem stärker digitalisierten System werden wir wahrscheinlich eine stärkere Einführung digitaler Signatursysteme erleben.