Podpis cyfrowy to mechanizm kryptograficzny służący do weryfikacji autentyczności i integralności danych cyfrowych. Możemy uznać to za cyfrową wersję zwykłych podpisów odręcznych, ale o wyższym poziomie złożoności i bezpieczeństwa.
W prostych słowach możemy opisać podpis cyfrowy jako kod dołączony do wiadomości lub dokumentu. Po wygenerowaniu kod stanowi dowód, że wiadomość nie została zmodyfikowana na drodze od nadawcy do odbiorcy.
Chociaż koncepcja zabezpieczania komunikacji za pomocą kryptografii sięga czasów starożytnych, schematy podpisu cyfrowego stały się możliwe do zrealizowania w latach 70. XX wieku – dzięki rozwojowi kryptografii klucza publicznego (PKC). Aby więc dowiedzieć się, jak działają podpisy cyfrowe, musimy najpierw zrozumieć podstawy funkcji skrótu i kryptografii klucza publicznego.
Funkcje mieszające
Haszowanie jest jednym z podstawowych elementów systemu podpisu cyfrowego. Proces mieszania polega na przekształcaniu danych o dowolnym rozmiarze w dane wyjściowe o stałym rozmiarze. Odbywa się to za pomocą specjalnego rodzaju algorytmów znanych jako funkcje mieszające. Dane wyjściowe generowane przez funkcję skrótu nazywane są wartością skrótu lub skrótem komunikatu.
W połączeniu z kryptografią tak zwane kryptograficzne funkcje skrótu można wykorzystać do wygenerowania wartości skrótu (skrótu), która działa jak unikalny cyfrowy odcisk palca. Oznacza to, że jakakolwiek zmiana danych wejściowych (komunikatu) spowoduje zupełnie inny wynik (wartość skrótu). I to jest powód, dla którego kryptograficzne funkcje skrótu są szeroko stosowane do weryfikacji autentyczności danych cyfrowych.
Kryptografia klucza publicznego (PKC)
Kryptografia klucza publicznego (PKC) odnosi się do systemu kryptograficznego wykorzystującego parę kluczy: jeden klucz publiczny i jeden klucz prywatny. Te dwa klucze są powiązane matematycznie i mogą być używane zarówno do szyfrowania danych, jak i do podpisów cyfrowych.
Jako narzędzie szyfrujące PKC jest bezpieczniejsze niż bardziej podstawowe metody szyfrowania symetrycznego. Podczas gdy starsze systemy wykorzystują ten sam klucz do szyfrowania i deszyfrowania informacji, PKC umożliwia szyfrowanie danych kluczem publicznym i odszyfrowywanie danych odpowiednim kluczem prywatnym.
Poza tym schemat PKC można zastosować także przy generowaniu podpisów cyfrowych. Zasadniczo proces ten polega na mieszaniu wiadomości (lub danych cyfrowych) wraz z kluczem prywatnym osoby podpisującej. Następnie odbiorca wiadomości może sprawdzić, czy podpis jest ważny, korzystając z klucza publicznego dostarczonego przez osobę podpisującą.
W niektórych sytuacjach podpisy cyfrowe mogą obejmować szyfrowanie, ale nie zawsze tak jest. Na przykład łańcuch bloków Bitcoin wykorzystuje PKC i podpisy cyfrowe, ale w przeciwieństwie do wielu, którzy sądzą, nie ma w tym procesie żadnego szyfrowania. Technicznie rzecz biorąc, Bitcoin wdraża tak zwany algorytm podpisu cyfrowego krzywej eliptycznej (ECDSA) w celu uwierzytelniania transakcji.
Jak działają podpisy cyfrowe
W kontekście kryptowalut system podpisu cyfrowego często składa się z trzech podstawowych etapów: mieszania, podpisywania i weryfikacji.
Haszowanie danych
Pierwszym krokiem jest zaszyfrowanie wiadomości lub danych cyfrowych. Odbywa się to poprzez przesłanie danych za pomocą algorytmu mieszającego, w wyniku czego generowana jest wartość skrótu (tj. skrót wiadomości). Jak wspomniano, wiadomości mogą znacznie różnić się rozmiarem, ale po zaszyfrowaniu wszystkie ich wartości skrótu mają tę samą długość. Jest to najbardziej podstawowa właściwość funkcji skrótu.
Jednak haszowanie danych nie jest konieczne do wytworzenia podpisu cyfrowego, ponieważ można użyć klucza prywatnego do podpisania wiadomości, która w ogóle nie została zaszyfrowana. Jednak w przypadku kryptowalut dane są zawsze zaszyfrowane, ponieważ obsługa skrótów o stałej długości ułatwia cały proces.
Podpisywanie
Po zaszyfrowaniu informacji nadawca wiadomości musi ją podpisać. To jest moment, w którym wchodzi w grę kryptografia klucza publicznego. Istnieje kilka typów algorytmów podpisu cyfrowego, każdy z własnym specyficznym mechanizmem. Zasadniczo jednak zaszyfrowana wiadomość zostanie podpisana kluczem prywatnym, a odbiorca wiadomości będzie mógł następnie sprawdzić jej ważność za pomocą odpowiedniego klucza publicznego (dostarczonego przez osobę podpisującą).
Innymi słowy, jeśli klucz prywatny nie zostanie uwzględniony podczas generowania podpisu, odbiorca wiadomości nie będzie mógł użyć odpowiedniego klucza publicznego do sprawdzenia jego ważności. Nadawca wiadomości generuje zarówno klucz publiczny, jak i prywatny, ale tylko klucz publiczny jest udostępniany odbiorcy.
Warto zaznaczyć, że podpisy cyfrowe są bezpośrednio powiązane z treścią każdej wiadomości. Zatem w przeciwieństwie do podpisów odręcznych, które zwykle są takie same niezależnie od wiadomości, każda wiadomość podpisana cyfrowo będzie miała inny podpis cyfrowy.
Weryfikacja
Weźmy przykład ilustrujący cały proces aż do ostatniego etapu weryfikacji. Wyobraź sobie, że Alicja pisze wiadomość do Boba, szyfruje ją, a następnie łączy wartość skrótu ze swoim kluczem prywatnym, aby wygenerować podpis cyfrowy. Podpis będzie działał jak unikalny cyfrowy odcisk palca tej konkretnej wiadomości.
Kiedy Bob odbierze wiadomość, może sprawdzić ważność podpisu cyfrowego, korzystając z klucza publicznego dostarczonego przez Alicję. W ten sposób Bob może mieć pewność, że podpis został utworzony przez Alicję, ponieważ tylko ona posiada klucz prywatny odpowiadający temu kluczowi publicznemu (przynajmniej tego się spodziewamy).
Dlatego ważne jest, aby Alicja zachowała swój klucz prywatny w tajemnicy. Jeśli inna osoba zdobędzie klucz prywatny Alicji, może utworzyć podpisy cyfrowe i udawać, że jest Alicją. W kontekście Bitcoina oznacza to, że ktoś może użyć klucza prywatnego Alicji do przeniesienia lub wydania jej Bitcoinów bez jej zgody.
Dlaczego podpisy cyfrowe są ważne?
Podpisy cyfrowe są często wykorzystywane do osiągnięcia trzech celów: integralności danych, uwierzytelnienia i niezaprzeczalności.
Integralność danych. Bob może sprawdzić, czy wiadomość Alicji nie została zmieniona. Jakakolwiek modyfikacja wiadomości spowodowałaby zupełnie inny podpis.
Autentyczność. Dopóki klucz prywatny Alicji jest utrzymywany w tajemnicy, Bob może użyć jej klucza publicznego, aby potwierdzić, że podpisy cyfrowe zostały utworzone przez Alicję i nikogo innego.
Niezaprzeczalność. Po wygenerowaniu podpisu Alicja nie będzie mogła w przyszłości zaprzeczyć, że go podpisała, chyba że jej klucz prywatny zostanie w jakiś sposób naruszony.
Przypadków użycia
Podpisy cyfrowe można stosować do różnego rodzaju dokumentów i certyfikatów cyfrowych. Jako takie mają kilka zastosowań. Niektóre z najczęstszych przypadków użycia obejmują:
Technologia informacyjna. Zwiększanie bezpieczeństwa systemów komunikacji internetowej.
Finanse. Podpisy cyfrowe można wdrożyć w audytach, raportach wydatków, umowach kredytowych i wielu innych.
Prawny. Cyfrowe podpisywanie wszelkiego rodzaju umów biznesowych i umów prawnych, w tym dokumentów rządowych.
Opieka zdrowotna. Podpisy cyfrowe mogą zapobiegać fałszowaniu recept i dokumentacji medycznej.
Łańcuch bloków. Schematy podpisu cyfrowego zapewniają, że tylko prawowici właściciele kryptowalut są w stanie podpisać transakcję w celu przeniesienia środków (o ile ich klucze prywatne nie zostaną naruszone).
Ograniczenia
Główne wyzwania stojące przed schematami podpisu cyfrowego opierają się na co najmniej trzech wymaganiach:
Algorytm. Jakość algorytmów stosowanych w schemacie podpisu cyfrowego jest ważna. Obejmuje to wybór niezawodnych funkcji skrótu i systemów kryptograficznych.
Realizacja. Jeśli algorytmy są dobre, ale ich implementacja nie jest, system podpisu cyfrowego prawdopodobnie będzie miał wady.
Prywatny klucz. Jeśli klucze prywatne ulegną wyciekowi lub w jakiś sposób zostaną naruszone, właściwości autentyczności i niezaprzeczalności zostaną unieważnione. Dla użytkowników kryptowalut utrata klucza prywatnego może skutkować znacznymi stratami finansowymi.
Podpisy elektroniczne a podpisy cyfrowe
Mówiąc najprościej, podpisy cyfrowe odnoszą się do jednego szczególnego rodzaju podpisów elektronicznych - które odnoszą się do dowolnej elektronicznej metody podpisywania dokumentów i wiadomości. Zatem wszystkie podpisy cyfrowe są podpisami elektronicznymi, ale nie zawsze jest odwrotnie.
Główną różnicą między nimi jest metoda uwierzytelniania. Podpisy cyfrowe wdrażają systemy kryptograficzne, takie jak funkcje skrótu, kryptografia klucza publicznego i techniki szyfrowania.
Zamykanie myśli
Funkcje skrótu i kryptografia klucza publicznego stanowią rdzeń systemów podpisów cyfrowych, które są obecnie stosowane w szerokim zakresie przypadków użycia. Odpowiednio wdrożone podpisy cyfrowe mogą zwiększyć bezpieczeństwo, zapewnić integralność i ułatwić uwierzytelnianie wszelkiego rodzaju danych cyfrowych.
W świecie blockchain podpisy cyfrowe służą do podpisywania i autoryzacji transakcji kryptowalutowych. Są one szczególnie ważne dla Bitcoina, ponieważ podpisy zapewniają, że monetami mogą wydawać wyłącznie osoby posiadające odpowiednie klucze prywatne.
Chociaż od lat używamy zarówno podpisów elektronicznych, jak i cyfrowych, wciąż jest dużo miejsca na rozwój. Duża część dzisiejszej biurokracji w dalszym ciągu opiera się na dokumentacji, ale w miarę migracji do bardziej cyfrowego systemu prawdopodobnie będziemy świadkami większego przyjęcia systemów podpisów cyfrowych.
