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    Was ist eine digitale Signatur?

    Eine digitale Signatur ist ein kryptografischer Mechanismus, der zur Überprüfung der Authentizität und Integrität digitaler Daten verwendet wird. Man kann sie als eine digitale Version der gewöhnlichen handschriftlichen Unterschrift betrachten, allerdings mit einem höheren Grad an Komplexität und Sicherheit.

    Einfach ausgedrückt kann man eine digitale Signatur als einen Code beschreiben, der an eine Nachricht oder ein Dokument angehängt wird. Nachdem der Code erzeugt wurde, dient er als Beweis dafür, dass die Nachricht auf ihrem Weg vom Absender zum Empfänger nicht manipuliert wurde.

    Obwohl das Konzept der Sicherung der Kommunikation mit Hilfe der Kryptographie auf die Antike zurückgeht, wurden digitale Unterschriftssysteme in den 1970er Jahren möglich – dank der Entwicklung der Public-Key-Kryptographie (PKC). Um zu erfahren, wie digitale Signaturen funktionieren, müssen wir zunächst die Grundlagen der Hash-Funktionen und der Public-Key-Kryptografie verstehen.

    Hash-Funktionen

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

    In Verbindung mit der Kryptografie können die so genannten kryptografischen Hash-Funktionen verwendet werden, um einen Hash-Wert (Digest) zu erzeugen, der als eindeutiger digitaler Fingerabdruck dient. Das bedeutet, dass jede Änderung der Eingabedaten (Nachricht) zu einer völlig anderen Ausgabe (Hash-Wert) führt. Aus diesem Grund werden kryptografische Hash-Funktionen häufig zur Überprüfung der Authentizität digitaler Daten verwendet.

    Kryptographie mit öffentlichem Schlüssel (PKC)

    Die Public-Key-Kryptographie (PKC) ist 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 Verschlüsselung von Daten als auch für digitale Signaturen verwendet werden.

    Als Verschlüsselungsinstrument ist PKC sicherer als die eher rudimentären Methoden der symmetrischen Verschlüsselung. Während ältere Systeme zum Ver- und Entschlüsseln von Informationen auf denselben Schlüssel angewiesen sind, ermöglicht PKC die Verschlüsselung von Daten mit dem öffentlichen Schlüssel und die Entschlüsselung von Daten mit dem entsprechenden privaten Schlüssel.

    Darüber hinaus kann das PKC-Verfahren auch für die Erstellung digitaler Signaturen verwendet werden. Im Wesentlichen besteht das Verfahren darin, eine Nachricht (oder digitale Daten) zusammen mit dem privaten Schlüssel des Unterzeichners zu verschlüsseln. Anschließend kann der Empfänger der Nachricht anhand des öffentlichen Schlüssels des Unterzeichners prüfen, ob die Signatur gültig ist.

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

    Wie digitale Signaturen funktionieren

    Im Zusammenhang mit Kryptowährungen besteht ein digitales Signatursystem häufig aus drei grundlegenden Schritten: Hashing, Signieren und Verifizieren.

    Hashing der Daten

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

    Das Hashing der Daten ist jedoch kein Muss für die Erstellung einer digitalen Signatur, da man einen privaten Schlüssel verwenden kann, um eine Nachricht zu signieren, die überhaupt nicht gehasht wurde. Bei Kryptowährungen werden die Daten jedoch immer gehasht, da der Umgang mit Digests fester Länge den gesamten Prozess vereinfacht.

    Unterzeichnung

    Nachdem die Informationen gehasht wurden, muss der Absender der Nachricht diese signieren. Dies ist der Moment, in dem die Kryptographie mit öffentlichen Schlüsseln ins Spiel kommt. Es gibt verschiedene Arten von digitalen Unterschriftsalgorithmen, jeder mit seinem eigenen besonderen Mechanismus. Im Wesentlichen wird die gehashte Nachricht jedoch mit einem privaten Schlüssel signiert, und der Empfänger der Nachricht kann dann ihre Gültigkeit anhand des entsprechenden öffentlichen Schlüssels (der vom Unterzeichner bereitgestellt wird) überprüfen.

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

    Es ist erwähnenswert, dass digitale Signaturen in direktem Zusammenhang mit dem Inhalt der einzelnen Nachrichten stehen. Im Gegensatz zu handschriftlichen Unterschriften, die in der Regel unabhängig von der Nachricht gleich sind, hat jede digital signierte Nachricht eine andere digitale Signatur.

    Überprüfen Sie

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

    Wenn Bob die Nachricht erhält, kann er die Gültigkeit der digitalen Signatur anhand 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).

    Deshalb ist es für Alice wichtig, ihren privaten Schlüssel geheim zu halten. Wenn eine andere Person in den Besitz von Alices privatem Schlüssel kommt, kann sie digitale Signaturen erstellen und sich als Alice ausgeben. Im Zusammenhang mit Bitcoin bedeutet das, dass jemand Alices privaten Schlüssel benutzen könnte, um ihre Bitcoins ohne ihre Erlaubnis zu bewegen 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, ob die Nachricht von Alice auf ihrem Weg nicht verändert wurde. Jede Änderung in der Nachricht würde eine völlig andere Signatur ergeben.
    • Authentizität. Solange der private Schlüssel von Alice geheim gehalten wird, kann Bob ihren öffentlichen Schlüssel verwenden, um zu bestätigen, dass die digitalen Signaturen von Alice und niemand anderem erstellt wurden.
    • Nicht-Abstreitbarkeit. Sobald die Signatur erzeugt wurde, kann Alice nicht mehr leugnen, dass sie sie unterzeichnet hat, es sei denn, ihr privater Schlüssel wird irgendwie kompromittiert.

    Anwendungsfälle

    Digitale Signaturen können auf verschiedene Arten von digitalen Dokumenten und Zertifikaten angewendet werden. Als solche haben sie mehrere Anwendungen. Einige der häufigsten Anwendungsfälle sind: 

    • Informationstechnologie. Verbesserung der Sicherheit von Internet-Kommunikationssystemen.
    • Finanzen. Digitale Signaturen können bei Prüfungen, Spesenabrechnungen, Kreditverträgen und vielem mehr eingesetzt werden.
    • Juristisch. Digitale Unterzeichnung aller Arten von Geschäftsverträgen und rechtlichen Vereinbarungen, einschließlich behördlicher Dokumente.
    • Gesundheitswesen. Digitale Signaturen können den Betrug mit Rezepten und Krankenakten verhindern.
    • Blockchain. Digitale Unterschriftsverfahren stellen sicher, dass nur die rechtmäßigen Eigentümer der Kryptowährungen eine Transaktion unterzeichnen können, um die Gelder zu bewegen (solange ihre privaten Schlüssel nicht kompromittiert sind).

    Beschränkungen

    Die größten Herausforderungen, denen sich digitale Signaturverfahren stellen müssen, beruhen auf mindestens drei Anforderungen:

    • Algorithmus. Die Qualität der in einem digitalen Signatursystem verwendeten Algorithmen ist wichtig. Dazu gehört die Wahl zuverlässiger Hash-Funktionen und kryptographischer Systeme.
    • Implementierung. Wenn die Algorithmen gut sind, aber die Implementierung nicht, wird das digitale Signatursystem wahrscheinlich Mängel aufweisen.
    • Privater Schlüssel. Wenn die privaten Schlüssel durchsickern oder irgendwie kompromittiert werden, werden die Eigenschaften der Authentizität und Nichtabstreitbarkeit außer Kraft gesetzt. Für Nutzer 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 von elektronischen Signaturen – die sich auf jede elektronische Methode zur Unterzeichnung von Dokumenten und Nachrichten beziehen. Somit sind alle digitalen Signaturen elektronische Signaturen, aber das Gegenteil ist nicht immer der Fall.

    Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Authentifizierungsmethode. Bei digitalen Signaturen werden kryptografische Systeme wie Hash-Funktionen, Public-Key-Kryptografie und Verschlüsselungstechniken eingesetzt.

    Abschließende Gedanken

    Hash-Funktionen und Public-Key-Kryptographie sind das Herzstück digitaler Signatursysteme, die heute in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden. Wenn sie richtig implementiert sind, können digitale Signaturen die Sicherheit erhöhen, die Integrität gewährleisten und die Authentifizierung aller Arten von digitalen Daten erleichtern.

    Im Bereich der Blockchain werden digitale Signaturen verwendet, um Kryptowährungstransaktionen zu unterzeichnen und zu autorisieren. Sie sind besonders wichtig für Bitcoin, weil die Signaturen sicherstellen, dass Coins nur von den Personen ausgegeben werden können, die die entsprechenden privaten Schlüssel besitzen.

    Obwohl wir schon 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 mit der Umstellung auf ein stärker digitalisiertes System werden wir wahrscheinlich mehr digitale Unterschriften verwenden.

    Lesen Sie den Originalartikel hier.