Digitale Signaturen sind eines der meist genutzten kryptographischen Primitive in der Praxis. Sie stellen eine notwendige Technologie für eCommerce und eGovernment Anwendungen dar und werden benötigt, um Softwareupdates auf eine sichere Weise über das Internet zu verteilen. In dieser Arbeit werden zwei neue Verfahren zur digitalen Signatur vorgestellt: XMSS und dessen Erweiterung XMSS^MT. Für beide Verfahren werden Sicherheitsbeweise im Standardmodell gegeben, die Performanz analysiert und die Wahl sicherer Parameter diskutiert. Beide Verfahren haben bestimmte Eigenschaften auf Grund derer sie den heute verwendeten Verfahren zur Digitalen Signatur vorzuziehen sind.

Die vorgestellten Verfahren sind vorwärtssicher. Dies bedeutet, dass selbst im Falle einer Kompromittierung des geheimen Schlüssels, zuvor erzeugten Signaturen weiterhin vertraut werden kann. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, die benötigt wird wenn eine Signatur über einen längeren Zeitraum verifizierbar sein muss. Darüber hinaus handelt es sich bei den vorgestellten Verfahren um generische Konstruktionen, die mit einer beliebigen kryptographischen Hashfunktion instanziiert werden können. Sollte die verwendete Hashfunktion aus irgendeinem Grund unsicher werden, reicht es aus die Hashfunktion durch eine neue, sichere Hashfunktion zu ersetzen, um eine sichere Instanziierung der Verfahren zu erhalten. Die Eigenschaften, welche wir von der verwendeten Hashfunktion fordern sind minimal. Daraus folgt, dass es eine sichere Instanziierung der vorgestellten Verfahren gibt, solange es überhaupt Komplexitäts-basierte Kryptographie gibt. Darüber hinaus bieten beide Verfahren Schutz vor Quantencomputer-basierten Angriffen, solange die verwendete Hashfunktion nicht anfällig für solche Angriffe ist.

In der vorliegenden Arbeit wird die Performanz der vorgestellten Verfahren sowohl theoretisch, als auch praktisch evaluiert. Einerseits wird gezeigt, dass eine beliebige effiziente kryptographische Hashfunktion eine effiziente Instanziierung der Verfahren ermöglicht. Andererseits werden experimentelle Ergebnisse geliefert. Diese belegen, dass die Performanz der vorgestellten Verfahren vergleichbar zu jener heute in der Praxis genutzter Verfahren ist. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt, die es für beide Verfahren erlaubt, optimale Parameter für einen vorgegebenen Anwendungsfall zu wählen. Die erzeugten Parameter erreichen dabei beweisbar ein gegebenes Sicherheitsniveau.

Als Teil der Konstruktion von XMSS und XMSS^MT, werden zwei neue Einmalsignaturverfahren (One-Time Signature Schemes, OTS) vorgestellt: WOTS+ und WOTS$. Einmalsignaturverfahren sind Signaturverfahren, die es erlauben pro Schlüsselpaar genau eine Nachricht zu signieren. WOTS+ ist aktuell das effizienteste Hash-basierte OTS. WOTS$ ist das effizienteste OTS mit minimalen Sicherheitsannahmen. Neben der Konstruktion vollwertiger Signaturverfahren, finden OTS Verwendung in Anwendungsfällen wie der Authentifizierung in Sensornetzen oder der Konstruktion chosen-ciphertext sicherer Public-Key Verschlüsselungsverfahren. Daher stellt die Konstruktion von WOTS+ und WOTS$ einen selbständigen Beitrag dar.

Zusammenfassend belegt diese Arbeit die Praktikabilität und Nutzbarkeit vor-wärtssicherer Signaturen einerseits und Hash-basierter Signaturen andererseits.