Цифровая подпись — это криптографический механизм, используемый для проверки подлинности и целостности цифровых данных. Мы можем рассматривать ее как цифровую версию обычных рукописных подписей, но с более высоким уровнем сложности и безопасности.
Проще говоря, мы можем описать цифровую подпись как код, прикрепленный к сообщению или документу. После создания код служит доказательством того, что сообщение не было подделано на пути от отправителя к получателю.
Хотя концепция защиты коммуникаций с использованием криптографии восходит к древним временам, схемы цифровой подписи стали возможной реальностью в 1970-х годах — благодаря развитию криптографии с открытым ключом (PKC). Итак, чтобы узнать, как работают цифровые подписи, нам нужно сначала понять основы хэш-функций и криптографии с открытым ключом.
Хэш-функции
Хеширование является одним из основных элементов системы цифровой подписи. Процесс хеширования включает преобразование данных любого размера в выходные данные фиксированного размера. Это делается с помощью особого вида алгоритмов, известных как хеш-функции. Выходные данные, генерируемые хэш-функцией, известны как хэш-значение или дайджест сообщения.
В сочетании с криптографией так называемые криптографические хэш-функции могут использоваться для генерации хеш-значения (дайджеста), которое действует как уникальный цифровой отпечаток пальца. Это означает, что любое изменение входных данных (сообщения) приведет к совершенно другому выводу (значению хеш-функции). Именно по этой причине криптографические хэш-функции широко используются для проверки подлинности цифровых данных.
Криптография с открытым ключом (PKC)
Криптография с открытым ключом, или PKC, относится к криптографической системе, в которой используется пара ключей: один открытый ключ и один закрытый ключ. Эти два ключа математически связаны и могут использоваться как для шифрования данных, так и для цифровых подписей.
Как инструмент шифрования PKC более безопасен, чем более простые методы симметричного шифрования. В то время как более старые системы используют один и тот же ключ для шифрования и дешифрования информации, PKC позволяет шифровать данные с помощью открытого ключа и расшифровывать данные с помощью соответствующего закрытого ключа.
Помимо этого, схема PKC также может применяться при создании цифровых подписей. По сути, этот процесс состоит из хеширования сообщения (или цифровых данных) вместе с закрытым ключом подписавшего. Затем получатель сообщения может проверить, действительна ли подпись, используя открытый ключ, предоставленный подписывающей стороной.
В некоторых ситуациях цифровые подписи могут включать шифрование, но это не всегда так. Например, блокчейн Биткойна использует PKC и цифровые подписи, но, в отличие от многих склонных полагать, в этом процессе нет шифрования. Технически Биткойн использует так называемый алгоритм цифровой подписи на основе эллиптической кривой (ECDSA) для аутентификации транзакций.
Как работают цифровые подписи
В контексте криптовалют система цифровой подписи часто состоит из трех основных этапов: хеширование, подписание и проверка.
Хеширование данных
Первым шагом является хеширование сообщения или цифровых данных. Это делается путем отправки данных через алгоритм хеширования, в результате чего генерируется хэш-значение (т. е. дайджест сообщения). Как уже упоминалось, сообщения могут значительно различаться по размеру, но когда они хешируются, все их хеш-значения имеют одинаковую длину. Это самое основное свойство хэш-функции.
Однако хеширование данных не является обязательным для создания цифровой подписи, поскольку можно использовать закрытый ключ для подписи сообщения, которое вообще не было хешировано. Но для криптовалют данные всегда хэшируются, поскольку работа с дайджестами фиксированной длины упрощает весь процесс.
Подписание
После того как информация хеширована, отправителю сообщения необходимо ее подписать. Это момент, когда в игру вступает криптография с открытым ключом. Существует несколько типов алгоритмов цифровой подписи, каждый из которых имеет свой особый механизм. Но, по сути, хешированное сообщение будет подписано закрытым ключом, и получатель сообщения сможет затем проверить его достоверность, используя соответствующий открытый ключ (предоставленный подписывающей стороной).
Другими словами, если закрытый ключ не включен при создании подписи, получатель сообщения не сможет использовать соответствующий открытый ключ для проверки его действительности. И открытый, и закрытый ключи генерируются отправителем сообщения, но получателю передается только открытый ключ.
Стоит отметить, что цифровые подписи напрямую связаны с содержанием каждого сообщения. Таким образом, в отличие от рукописных подписей, которые, как правило, одинаковы независимо от сообщения, каждое сообщение с цифровой подписью будет иметь другую цифровую подпись.
Проверка
Давайте рассмотрим пример, чтобы проиллюстрировать весь процесс до последнего этапа проверки. Представьте, что Алиса пишет сообщение Бобу, хеширует его, а затем объединяет значение хеш-функции со своим закрытым ключом для создания цифровой подписи. Подпись будет работать как уникальный цифровой отпечаток этого конкретного сообщения.
Когда Боб получает сообщение, он может проверить достоверность цифровой подписи, используя открытый ключ, предоставленный Алисой. Таким образом, Боб может быть уверен, что подпись была создана Алисой, поскольку только у нее есть закрытый ключ, соответствующий этому открытому ключу (по крайней мере, мы этого ожидаем).
Поэтому для Алисы крайне важно хранить свой закрытый ключ в секрете. Если другой человек получит в свои руки закрытый ключ Алисы, он сможет создать цифровую подпись и выдать себя за Алису. В контексте Биткойна это означает, что кто-то может использовать закрытый ключ Алисы для перемещения или траты ее биткойнов без ее разрешения.
Почему цифровые подписи важны?
Цифровые подписи часто используются для достижения трех результатов: целостности данных, аутентификации и неотказуемости.
Целостность данных. Боб может убедиться, что сообщение Алисы не было изменено по пути. Любое изменение сообщения приведет к созданию совершенно другой подписи.
Подлинность. Пока закрытый ключ Алисы хранится в секрете, Боб может использовать ее открытый ключ, чтобы подтвердить, что цифровые подписи были созданы Алисой и никем другим.
Неотречение. Как только подпись будет сгенерирована, Алиса не сможет отрицать, что подписала ее в будущем, если только ее закрытый ключ не будет каким-либо образом скомпрометирован.
Случаи использования
Цифровые подписи можно применять к различным видам цифровых документов и сертификатов. Таким образом, у них есть несколько применений. Некоторые из наиболее распространенных случаев использования включают в себя:
Информационные технологии. Для повышения безопасности систем Интернет-коммуникаций.
Финансы. Цифровые подписи можно использовать для аудитов, отчетов о расходах, кредитных соглашений и многого другого.
Законно. Цифровое подписание всех видов деловых контрактов и юридических соглашений, включая государственные документы.
Здравоохранение. Цифровые подписи могут предотвратить мошенничество с рецептами и медицинскими записями.
Блокчейн. Схемы цифровой подписи гарантируют, что только законные владельцы криптовалют смогут подписать транзакцию по перемещению средств (при условии, что их личные ключи не будут скомпрометированы).
Ограничения
Основные проблемы, с которыми сталкиваются схемы цифровой подписи, основаны как минимум на трех требованиях:
Алгоритм. Важное значение имеет качество алгоритмов, используемых в схеме цифровой подписи. Это включает в себя выбор надежных хэш-функций и криптографических систем.
Выполнение. Если алгоритмы хорошие, но реализация плохая, система цифровой подписи, скорее всего, будет иметь недостатки.
Закрытый ключ. Если секретные ключи будут раскрыты или каким-либо образом скомпрометированы, свойства подлинности и неотказуемости будут признаны недействительными. Для пользователей криптовалюты потеря закрытого ключа может обернуться значительными финансовыми потерями.
Электронные подписи против цифровых подписей
Проще говоря, цифровые подписи относятся к одному конкретному виду электронных подписей, которые относятся к любому электронному методу подписания документов и сообщений. Таким образом, все цифровые подписи являются электронными подписями, однако обратное не всегда верно.
Основное различие между ними заключается в методе аутентификации. Цифровые подписи используют криптографические системы, такие как хеш-функции, криптография с открытым ключом и методы шифрования.
Заключительные мысли
Хэш-функции и криптография с открытым ключом лежат в основе систем цифровой подписи, которые теперь применяются в широком спектре случаев использования. При правильном внедрении цифровые подписи могут повысить безопасность, обеспечить целостность и облегчить аутентификацию всех видов цифровых данных.
В сфере блокчейна цифровые подписи используются для подписания и авторизации транзакций криптовалюты. Они особенно важны для Биткойна, поскольку подписи гарантируют, что монеты могут быть потрачены только теми людьми, которые обладают соответствующими закрытыми ключами.
Хотя мы уже много лет используем как электронные, так и цифровые подписи, нам еще есть куда расти. Большая часть сегодняшней бюрократии по-прежнему основана на бумажной работе, но мы, вероятно, увидим большее распространение схем цифровой подписи по мере перехода к более цифровой системе.
