HMAC vs. Digitale Signaturen: Das richtige Werkzeug für den jeweiligen Anwendungsfall

Wer mit Sicherheitssystemen, APIs oder regulierten Daten arbeitet, ist wahrscheinlich schon auf die Begriffe HMAC und digitale Signatur gestoßen. Beide dienen dazu, die Unversehrtheit einer Nachricht und ihre Herkunft vom korrekten Absender zu überprüfen. Sie funktionieren jedoch sehr unterschiedlich, basieren auf verschiedenen kryptografischen Grundlagen und eignen sich für völlig unterschiedliche Anwendungsfälle. Die Wahl des falschen Verfahrens kann schwerwiegende Sicherheits- und Compliance-Probleme verursachen, die oft erst im Fehlerfall offensichtlich werden.

HMAC (Hash-basierter Message Authentication Code) ist ein symmetrisches Authentifizierungsverfahren . Es verwendet einen gemeinsamen geheimen Schlüssel, um einen Code zu generieren, den sowohl Sender als auch Empfänger überprüfen können. Es ist schnell, ressourcenschonend und eignet sich gut für interne Systeme, in denen sich beide Seiten bereits vertrauen. Digitale Signaturen hingegen verwenden asymmetrische Kryptografie , d. h. einen privaten Schlüssel zum Signieren und einen öffentlichen Schlüssel zur Verifizierung. Diese Trennung macht sie geeignet für Situationen, in denen Vertrauen gegenüber externen Parteien aufgebaut und nachgewiesen werden muss.

Die Wahl zwischen den beiden Optionen ist nicht nur technischer Natur. Sie hat direkte Auswirkungen auf die Beweiskraft, die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen, die Auditbereitschaft und die Art und Weise, wie Ihr System die Verantwortlichkeit bei Streitigkeiten handhabt. Dieser Blog erklärt die Funktionen der einzelnen Optionen, ihre Unterschiede und wann welche Option am besten geeignet ist.

Was sind HMAC und digitale Signaturen?

Sowohl HMAC als auch digitale Signaturen sind Arten von Message Authentication Codes (MACs). Ein MAC ist eine kurze Information, die dazu dient, die Echtheit einer Nachricht zu bestätigen und sicherzustellen, dass sie nicht manipuliert wurde. Die Funktionsweise unterscheidet sich jedoch deutlich.

HMAC (Hash-basierter Message Authentication Code) verwendet symmetrische Authentifizierung. Das bedeutet, dass Sender und Empfänger denselben gemeinsamen geheimen Schlüssel verwenden. Nachricht und Schlüssel werden mithilfe einer Hash-Funktion wie SHA-256 verarbeitet, um ein Tag zu erzeugen. Jeder, der den gemeinsamen geheimen Schlüssel besitzt, kann dieses Tag erstellen oder überprüfen.

Digitale Signaturen nutzen asymmetrische Kryptografie, d. h. es werden zwei verschiedene Schlüssel verwendet: ein privater und ein öffentlicher Schlüssel. Der Absender signiert die Nachricht mit seinem privaten Schlüssel, und jeder, der den zugehörigen öffentlichen Schlüssel besitzt, kann die Signatur überprüfen. Der private Schlüssel verbleibt stets beim Absender.

Man kann es sich so vorstellen: HMAC ist wie ein Schloss, für das sich zwei Personen einen Schlüssel teilen. Digitale Signaturen sind eher wie ein persönlicher Stempel, den nur eine Person erstellen kann, der aber von jedem erkannt wird.

Wie HMAC die symmetrische Nachrichtenauthentifizierung ermöglicht

HMAC kombiniert die Nachricht mit einem geheimen Schlüssel und wendet eine Hash-Funktion darauf an . Dadurch entsteht ein eindeutiges Tag. Folgendes macht HMAC nützlich:

• Ohne Kenntnis des geheimen Schlüssels kann das Etikett weder erraten noch nachgebildet werden.
• Wenn sich auch nur ein einziges Zeichen in der Nachricht ändert, ändert sich das Tag komplett.
• Ein Angreifer kann ohne das gemeinsame Geheimnis kein gültiges Tag erstellen.

Dadurch eignet sich HMAC hervorragend zur Gewährleistung von Datenintegrität und Authentifizierung in Systemen, in denen beide Seiten dasselbe Geheimnis kennen. Es wird häufig für API-Authentifizierungstoken, Session-Cookies und Webhook-Verifizierung verwendet.

HMAC ist zudem sehr schnell. Da es symmetrische Authentifizierung verwendet, verarbeitet es große Anfragemengen zügig. Dies ist besonders nützlich für Systeme, die Millionen von Anfragen pro Minute verarbeiten.

HMAC hat jedoch eine entscheidende Einschränkung. Da beide Seiten dasselbe Geheimnis teilen, könnte jede von ihnen das Tag erstellt haben. Es gibt keine Möglichkeit, einem Dritten zu beweisen, welche Seite die Nachricht gesendet hat. Hier wird die Nichtabstreitbarkeit wichtig, und genau diese kann HMAC nicht gewährleisten.

Wie digitale Signaturen asymmetrisches Vertrauen ermöglichen

Digitale Signaturen lösen ein anderes Problem. Was ist, wenn Sie jemandem, den Sie noch nie getroffen haben, beweisen müssen, dass eine Nachricht von Ihnen stammt und nicht verändert wurde? Genau dafür sind digitale Signaturen gedacht.

Der Vorgang funktioniert wie folgt:

• Der Absender erstellt einen Hash der Nachricht.
• Dieser Hashwert wird mit dem privaten Schlüssel des Absenders verschlüsselt. Das Ergebnis ist die digitale Signatur.
• Der Empfänger entschlüsselt die Signatur mit dem öffentlichen Schlüssel des Absenders, erstellt einen eigenen Hashwert der empfangenen Nachricht und vergleicht beide. Stimmen sie überein, ist die Nachricht authentisch und unverändert.

Da nur der Besitzer des privaten Schlüssels die Signatur erstellen kann, ermöglicht diese Konfiguration eine externe Überprüfung, ohne dass Geheimnisse preisgegeben werden müssen. Die Public-Key-Kryptographie macht dies möglich.

Dies ist die Grundlage für PKI (Public Key Infrastructure) , TLS/SSL-Zertifikate, Codesignierung und Dokumentenauthentifizierungssysteme, die in Vorschriften wie eIDAS oder US-Bundesstandards verwendet werden.

HMAC vs. Digitale Signaturen: Ein Vergleich der einzelnen Funktionen

Hier ein Vergleich der beiden Mechanismen hinsichtlich der wichtigsten Merkmale:

• Schlüsselart: HMAC verwendet einen gemeinsamen geheimen Schlüssel (symmetrisch). Digitale Signaturen verwenden ein öffentliches und ein privates Schlüsselpaar (asymmetrische Kryptographie).
• Authentifizierung: Sowohl HMAC- als auch digitale Signaturen bestätigen die Identität des Absenders.
• Nichtabstreitbarkeit: HMAC bietet diese Funktion nicht. Digitale Signaturen hingegen schon.
• Eigenschaften: HMAC ist sehr schnell. Digitale Signaturen sind aufgrund der Komplexität asymmetrischer Operationen langsamer.
• Schlüsselverwaltung: HMAC benötigt lediglich ein gemeinsames Geheimnis, das einfach zu verwalten ist. Digitale Signaturen erfordern eine PKI-Infrastruktur.
• Überprüfung durch Dritte: HMAC kann von Dritten ohne Offenlegung des Geheimnisses nicht verifiziert werden. Digitale Signaturen hingegen können von jedem mit dem öffentlichen Schlüssel verifiziert werden.
• Bester Anwendungsfall: HMAC eignet sich für interne APIs und Session-Token. Digitale Signaturen eignen sich für Verträge, Audit-Logs und organisationsübergreifenden Datenaustausch.

Diese beiden Tools stehen nicht in Konkurrenz zueinander. Sie sind für unterschiedliche Anwendungsbereiche konzipiert. Entscheidend ist, welches Tool Ihren Bedürfnissen entspricht.

Warum die Nichtabstreitbarkeit digitale Signaturen erfordert

Nichtabstreitbarkeit bedeutet, dass ein Absender später nicht leugnen kann, eine Nachricht gesendet zu haben. Sie ist eine entscheidende Eigenschaft in rechtlichen, finanziellen und regulierten Bereichen. Man kann sie sich als die digitale Version eines unterzeichneten Vertrags vorstellen.

HMAC unterstützt keine Nichtabstreitbarkeit. Da beide Parteien denselben Schlüssel besitzen, könnte jede von ihnen das Tag erstellt haben. Im Streitfall lässt sich nicht feststellen, welche Seite es erstellt hat. Daher ist HMAC ungeeignet, wenn es auf Verantwortlichkeit ankommt.

Digitale Signaturen gewährleisten die Nichtabstreitbarkeit. Da nur der Inhaber des privaten Schlüssels eine gültige Signatur erstellen kann, beweist eine verifizierte digitale Signatur, wer die Nachricht erstellt hat. Dies gilt für formelle Untersuchungen, Prüfungen und Gerichtsverfahren.

Aus diesem Grund benötigen Branchen wie das Gesundheitswesen (HIPAA) , der Finanzsektor und die Rechtsbranche digitale Signaturen für sensible Dokumente. Auch beim Codesignieren werden digitale Signaturen verwendet: Ein Softwarepaket mit einer verifizierten Signatur eines vertrauenswürdigen Herausgebers ist deutlich sicherer zu installieren.

Die Wahl zwischen HMAC und digitalen Signaturen

Die richtige Wahl hängt von Ihrer individuellen Situation ab. Stellen Sie sich folgende Fragen:

• Teilen beide Seiten bereits ein Geheimnis? Falls ja, ist HMAC einfacher und schneller. Falls nein oder falls externe Parteien die Nachricht überprüfen müssen, verwenden Sie digitale Signaturen.
• Ist Nichtabstreitbarkeit erforderlich? Wenn es um Compliance, rechtliche Prüfungen oder Audits geht, sind digitale Signaturen die richtige Wahl.
• Spielt Leistung eine Rolle? HMAC ist deutlich schneller. Für interne Systeme mit hohem Durchsatz ist es in der Regel die praktischere Option.
• Ist eine PKI-Infrastruktur verfügbar? Digitale Signaturen erfordern ein Schlüsselpaar und häufig eine Zertifizierungsstelle (CA). Falls Ihre Organisation dies noch nicht besitzt, kann HMAC eine praktikable kurzfristige Lösung sein, der langfristige Aufbau einer PKI ist jedoch der richtige Weg.

Viele gut konzipierte Systeme nutzen beides: HMAC für die schnelle interne API-Authentifizierung und digitale Signaturen für die Dokumentensignierung, Audit-Logs und den organisationsübergreifenden Datenaustausch. Sie sind keine Alternativen, sondern erfüllen unterschiedliche Funktionen.

Wie Verschlüsselungsberatung helfen kann

Digitale Signaturen benötigen eine funktionierende PKI-Infrastruktur, und genau hier liegt für viele Organisationen die Herausforderung. Nicht im Wissen um das richtige Tool, sondern im Fehlen der notwendigen Grundlagen für dessen Einsatz. Die PKI-Services von Encryption Consulting schließen diese Lücke.

Egal ob Ihre Organisation bei null anfängt oder mit einer bestehenden Infrastruktur arbeitet, die gestärkt werden muss, unser Team entwirft und implementiert eine PKI-Infrastruktur, die digitale Signaturen, zertifikatsbasierte Identitätsauthentifizierung und die von regulierten Branchen geforderten Anforderungen an die Nichtabstreitbarkeit unterstützt.

Folgendes umfassen unsere PKI-Dienstleistungen:

PKI-Bewertung: Wir bewerten den aktuellen Stand Ihrer Organisation, ermitteln, ob Ihre bestehende Infrastruktur digitale Signaturen in dem von Ihnen benötigten Umfang unterstützen kann, und erstellen einen klaren Fahrplan zur Schließung etwaiger Lücken.

PKI-Design und -Implementierung: Wir entwerfen eine auf Ihre Organisation zugeschnittene Zertifizierungsstellenhierarchie, die bei Bedarf durch FIPS 140-3-konforme HSMs unterstützt wird, sodass Ihre privaten Schlüssel geschützt sind und Ihre digitalen Signaturen einer genauen Prüfung standhalten.

CP/CPS-Entwicklung: Wir dokumentieren die Zertifikatsrichtlinien und Zertifizierungspraxisanweisungen, die definieren, wie Ihre PKI funktioniert. Dies ist unerlässlich für regulierte Branchen wie das Gesundheitswesen, den Finanzsektor und den Rechtsbereich, wo die Integrität digitaler Signaturen nachweisbar sein muss.

Zertifikatslebenszyklusmanagement: Jedes öffentliche und private Schlüsselpaar durchläuft einen Lebenszyklus. Wir implementieren die Prozesse und Tools zur Verwaltung von Ausstellung, Verlängerung und Widerruf, damit Ihre Infrastruktur für digitale Signaturen stets aktuell und konform bleibt.

Organisationen, die sich bei Arbeitsabläufen, die Nichtabstreitbarkeit erfordern, ausschließlich auf HMAC verlassen, gehen ein Compliance-Risiko ein, dessen Ausmaß ihnen möglicherweise nicht bewusst ist. Wenn Ihre Umgebung auf digitale Signaturen umgestellt werden muss oder Sie sicherstellen möchten, dass Ihre bestehende PKI-Infrastruktur dies unterstützt, steht Ihnen unser Team gerne zur Seite.

Fazit

HMAC und digitale Signaturen schützen beide Daten, jedoch auf unterschiedliche Weise und für verschiedene Zwecke. HMAC basiert auf symmetrischer Authentifizierung und einem gemeinsamen Geheimnis. Es ist schnell und praktisch für den internen Gebrauch. Digitale Signaturen hingegen nutzen asymmetrische Kryptografie und Public-Key-Kryptografie. Sie gewährleisten die Nichtabstreitbarkeit von Daten und sind unerlässlich für regulierte, externe oder rechtlich relevante Arbeitsabläufe.

Die Verwendung des falschen Werkzeugs für die falsche Aufgabe birgt ein erhebliches Risiko. Wird HMAC dort eingesetzt, wo digitale Signaturen erforderlich sind, kann dies zu einem Scheitern bei einer Compliance-Prüfung führen oder dazu, dass Ihr Unternehmen die Verantwortlichkeit nicht nachweisen kann. Es ist wesentlich einfacher, dies von Anfang an richtig zu machen, als später Fehler zu beheben.