Wpis Kryptografia 101: Klucz do rozwoju Blockchain dla początkujących pojawił się jako pierwszy w Coinpedia Fintech News

 Wstęp

Przegląd kryptografii

Kryptografia stanowi tarczę w naszym cyfrowym świecie, w którym zagrożenia są powszechne. Praktyką jest zabezpieczanie komunikacji w celu zapewnienia, że ​​tylko upoważnione osoby będą miały dostęp do informacji. Kryptografia polegała na przekształcaniu wiadomości w nieczytelny tekst i z powrotem do czytelnej formy na drugim końcu.

Współczesna kryptografia jest dziś znacznie bardziej zaawansowana i łączy informatykę i matematykę. Algorytmy mają na celu rozwiązywanie złożonych problemów, przez co są trudne do złamania. Chociaż algorytmy te można rozwiązać teoretycznie, są one praktycznie nie do złamania w rozsądnym czasie. To sprawia, że ​​kryptografia ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa danych, ochrony prywatności i potwierdzania tożsamości.

Kryptografia w technologii Blockchain 

W technologii blockchain kryptografia ma fundamentalne znaczenie. Blockchain opiera się na kryptografii w celu utrzymania bezpieczeństwa. Bez tego rozwój technologii blockchain nie byłby możliwy. Oto jak to działa:

  • Bezpieczne transakcje: Kryptografia zapewnia bezpieczeństwo transakcji.

  • Szyfrowanie: wiadomości i ważne informacje o transakcjach są kodowane w sposób unikalny i mogą zostać odszyfrowane tylko przez zamierzonego odbiorcę.

  • Bloki mieszające: Bloki w łańcuchu bloków są szyfrowane przy użyciu unikalnej, ale losowej funkcji skrótu, która pomaga je weryfikować i chronić. Kryptografia zabezpiecza transakcje między węzłami sieci, chroniąc prywatność użytkowników i integralność danych. Zasadniczo kryptografia jest podstawą bezpieczeństwa blockchain.

Kontekst historyczny i ewolucja

Krótka historia

Większość z nas zna klasyczny scenariusz z udziałem Alicji, Boba i Ewy, w którym Alicja i Bob komunikują się, a Ewa próbuje podsłuchiwać. Ten scenariusz podkreśla korzenie tradycyjnej kryptografii, która początkowo skupiała się na zachowaniu poufności wiadomości. Wczesna kryptografia polegała na szyfrowaniu wiadomości, aby zapobiec ich podsłuchiwaniu, i deszyfrowaniu ich po otrzymaniu. W starożytności kryptografia opierała się na językoznawstwie i wzorcach językowych. Dziś czerpie z różnych gałęzi informatyki, w tym ze złożoności obliczeniowej, teorii informacji, teorii liczb i kombinatoryki.

Wpływ na Blockchain

Blockchainy to zdecentralizowane systemy, które w dużym stopniu opierają się na bezpieczeństwie i prywatności. Kryptografia ma kluczowe znaczenie w technologii blockchain. Kluczowe osiągnięcia w dziedzinie kryptografii, takie jak funkcje skrótu, kryptografia klucza publicznego, podpisy cyfrowe i dowód pracy, stanowią istotne adaptacje metod kryptograficznych. Udoskonalenia te zapewniają bezpieczeństwo i integralność systemów blockchain.

Podstawowe koncepcje kryptograficzne dla programistów

Szyfrowanie i deszyfrowanie

Szyfrowanie polega na konwertowaniu zwykłego tekstu na nieczytelny format zwany tekstem zaszyfrowanym. Deszyfrowanie to proces odwrotny, podczas którego zaszyfrowany tekst jest konwertowany z powrotem na zwykły tekst. Te dwa procesy mają fundamentalne znaczenie dla kryptografii. Historycznie rzecz biorąc, ten mechanizm tam i z powrotem był szeroko stosowany przez organizacje wojskowe i inne ze względu na jego niezawodność.

Kryptografia symetryczna i asymetryczna

  • Symetryczna: Ta metoda wykorzystuje ten sam klucz do szyfrowania i deszyfrowania. Znane jako szyfrowanie kluczem tajnym, jest często wdrażane w systemach takich jak Data Encryption Standard (DES). Tylko osoby posiadające dostęp do tajnego klucza mogą odszyfrować dane. Kryptografia symetryczna jest skuteczna w szyfrowaniu dużych ilości danych i jest powszechnie stosowana w bezpieczeństwie stron internetowych. Przesyła dane szybko i wymaga mniejszej mocy obliczeniowej.

  • Asymetryczna: znana również jako kryptografia klucza publicznego, metoda ta wykorzystuje dwa różne klucze – publiczny i prywatny. Klucz publiczny służy do dzielenia się informacjami z innymi, natomiast klucz prywatny służy do odszyfrowywania wiadomości i weryfikacji podpisów cyfrowych. Ta metoda jest wolniejsza i wymaga większej mocy obliczeniowej, ale ma kluczowe znaczenie dla uwierzytelniania serwera WWW i bezpiecznej komunikacji. W przeciwieństwie do kluczy symetrycznych, klucz publiczny można wyprowadzić z klucza prywatnego, ale nie odwrotnie. Przykłady obejmują kryptografię krzywych eliptycznych (ECC) i standard podpisu cyfrowego (DSS).

Kryptograficzne funkcje skrótu

Funkcje skrótu to popularna technika w informatyce, która nie wykorzystuje kluczy, ale mimo to zapewnia integralność danych. Haszowanie tworzy wynik o stałym rozmiarze na podstawie danych wejściowych, który często jest pozornie losowym ciągiem znaków. Funkcje skrótu odgrywają kluczową rolę w łańcuchu bloków, ponieważ umożliwiają łączenie bloków oraz zapewnianie bezpieczeństwa i integralności danych, które zawierają.

Kluczowe właściwości funkcji skrótu:

  • Determinizm: określone unikalne dane wejściowe zawsze mają ten sam unikalny skrót.

  • Odporność na kolizje: znalezienie dwóch różnych danych wejściowych z tego samego skrótu jest trudne.

  • Efekt lawinowy: każda minuta zmiany w komunikacie wejściowym lub sekwencji może całkowicie zmienić funkcję skrótu.

Funkcje specyficzne dla Blockchain:

Typowe funkcje skrótu używane w łańcuchu bloków obejmują SHA-256 i MD5. Na przykład SHA-256 jest używany w Bitcoinie w celu zapewnienia bezpieczeństwa i integralności transakcji. Funkcje skrótu są niezbędne w łańcuchach bloków, ponieważ zapobiegają nieautoryzowanym modyfikacjom danych, zmniejszają zapotrzebowanie na przepustowość i upraszczają weryfikację danych.

 Podpisy cyfrowe i ich znaczenie

Podpisy cyfrowe stanowią dowód autentyczności i integralności transakcji, zapewniając, że są one zgodne z prawem i niezmienione. Aby utworzyć podpis cyfrowy, nadawca wykorzystuje swój klucz prywatny i dane transakcyjne do wygenerowania unikalnego podpisu przy użyciu określonego algorytmu. Odbiorca może zweryfikować ten podpis za pomocą klucza publicznego nadawcy, aby potwierdzić jego autentyczność.

W blockchainie każda transakcja jest podpisana kluczem prywatnym nadawcy i zweryfikowana odpowiednim kluczem publicznym przed dodaniem do blockchaina.

Klucze publiczne i prywatne: podstawa bezpieczeństwa Blockchain

Generowanie pary kluczy

Klucze publiczne i prywatne są generowane przy użyciu algorytmów kryptograficznych, zazwyczaj metodami szyfrowania asymetrycznego. Popularne algorytmy obejmują kryptografię krzywych eliptycznych (ECC), algorytm podpisu cyfrowego (DSA) i Rivest-Shamir-Adleman (RSA). Często preferowany jest tryb ECC ze względu na mniejszy rozmiar klucza. Klucze prywatne muszą być utrzymywane w tajemnicy i bezpieczne, natomiast klucze publiczne mogą być udostępniane. Sprzętowe moduły bezpieczeństwa (HSM) pomagają chronić klucze prywatne, a kopie zapasowe są niezbędne, aby zapobiec utracie.

Rola w transakcjach

Klucze publiczne i prywatne są kluczowe dla zabezpieczenia i weryfikacji transakcji. Klucz prywatny służy do złożenia podpisu, natomiast klucz publiczny służy do jego weryfikacji, co gwarantuje autentyczność i niezmienność transakcji.

Zarządzanie portfelem

Klucze są przechowywane w portfelach typu blockchain, które mogą być oparte na oprogramowaniu lub sprzęcie. Portfele występują w dwóch rodzajach:

  • Hot Wallets: Są to portfele internetowe podłączone do Internetu, takie jak portfele mobilne lub internetowe, które są wygodne w przypadku częstych transakcji.

  • Zimne portfele to rozwiązania do przechowywania danych w trybie offline, takie jak portfele sprzętowe lub papierowe, które zapewniają zwiększone bezpieczeństwo długoterminowych zasobów.

Używaj silnego szyfrowania, haseł i haseł, aby zabezpieczyć swój portfel blockchain. Wdrażaj praktyki wielu podpisów wymagające wielu kluczy prywatnych do autoryzacji transakcji i korzystaj z uwierzytelniania dwuskładnikowego (2FA) w celu zwiększenia bezpieczeństwa. Zawsze twórz kopie zapasowe fraz początkowych i kluczy prywatnych w lokalizacjach offline i wybieraj renomowane portfele z solidnymi funkcjami bezpieczeństwa. Nigdy nie udostępniaj swojego klucza prywatnego; używaj silnych haseł, aby chronić swój portfel.

 Algorytmy konsensusu wykorzystujące kryptografię

Dowód pracy (PoW):

Proof of Work, często nazywany wydobyciem, to zdecentralizowany system, w którym członkowie sieci, czyli górnicy, rywalizują w rozwiązywaniu zagadek kryptograficznych. Pierwszy górnik, który rozwiąże zagadkę, dodaje kolejny blok do łańcucha bloków i otrzymuje nagrodę. Proces ten wykorzystuje haszowanie do zabezpieczenia łańcucha bloków. Trudność łamigłówek PoW zapewnia bezpieczeństwo łańcucha bloków i kontroluje prędkość dodawania nowych bloków.

Dowód stawki (PoS):

Proof of Stake wybiera walidatorów dla nowych bloków na podstawie liczby posiadanych przez nich monet i ich stawki jako zabezpieczenia. Jednak wybór ten nie opiera się wyłącznie na liczbie monet, ale także na czynnikach takich jak wiek monet i losowość. Walidatorzy są wybierani na podstawie najniższej wartości skrótu i ​​najwyższej kwoty stawki. PoS jest bardziej energooszczędny niż PoW.

Inne mechanizmy konsensusu obejmują delegowany dowód stawki (DPoS), który wykorzystuje wybranych delegatów i reputację do walidacji transakcji, oraz praktyczną bizantyjską tolerancję na błędy (PBFT), wykorzystywaną do osiągnięcia konsensusu w systemach blockchain.

Praktyczne zastosowania kryptografii w rozwoju Blockchain

Zabezpieczanie transakcji 

Kryptografia jest niezbędna do zabezpieczania transakcji różnymi metodami:

  • Podpisy cyfrowe: zapewniają autentyczność, integralność i niezaprzeczalność transakcji.

  • Szyfrowanie: utrzymuje poufność transakcji.

  • Funkcje skrótu: Sprawdź, czy dane pozostają niezmienione; wszelkie zmiany w szczegółach transakcji zakłócają funkcję skrótu.

Inteligentne kontrakty 

Zasady kryptograficzne zapewniają, że inteligentne kontrakty są bezpieczne i niezawodne:

  • Autoryzacja: zarządzana za pomocą podpisów cyfrowych.

  • Integralność: zapewniona przez hashowanie, które zapobiega manipulacji.

  • Przewidywalność: Deterministyczne wykonanie zapewnia niezawodne wykonanie kontraktu.

  • Poufność: utrzymywana poprzez szyfrowanie, ograniczająca dostęp tylko do upoważnionych stron.

Tworzenie DApps

Kryptografia jest niezbędna w tworzeniu bezpiecznych zdecentralizowanych aplikacji (DApps):

  • Uwierzytelnianie użytkownika: wykorzystuje kryptografię klucza publicznego zamiast tradycyjnych identyfikatorów użytkowników, aby zapewnić bezproblemowe logowanie.

  • Bezpieczeństwo danych: zapewniane przez techniki szyfrowania i mieszania.

  • Bezpieczeństwo transakcji: zarządzane za pomocą podpisów cyfrowych.

Przykładami są platformy DeFi i aplikacje DApps do zarządzania łańcuchem dostaw.

Typowe ataki kryptograficzne i strategie łagodzenia

Rodzaje ataków 

  • Atak brute-force: atakujący próbują wszystkich możliwych kombinacji, aby złamać szyfrowanie. Szczególnie podatne są słabe lub krótkie hasła.

  • Atak typu man-in-the-middle (MitM): osoba atakująca przechwytuje komunikację między nadawcą a odbiorcą, potencjalnie zmieniając dane i naruszając zabezpieczenia.

  • Atak powtórkowy: Oszukańcze transakcje wykorzystują ważne dane z poprzednich transakcji do nieautoryzowanego ponownego przesłania lub powtórzenia transakcji.

Techniki łagodzenia

  • Użyj silnego szyfrowania: używaj długich kluczy i regularnie je zmieniaj.

  • Bezpieczne przechowywanie kluczy: używaj sprzętowych modułów zabezpieczających (HSM) i ograniczaj dostęp.

  • Włącz uwierzytelnianie dwuskładnikowe (2FA): dodaje dodatkową warstwę zabezpieczeń.

  • Użyj certyfikatów cyfrowych: zapobiega atakom typu man-in-the-middle.

  • Używaj złożonych kluczy: Upewnij się, że klucze są nieprzewidywalne i złożone.

  • Wdrażaj kompleksowe szyfrowanie: zabezpiecza dane na całej ich drodze.

  • Użyj znaczników czasu: zapobiega atakom związanym z powtarzaniem, śledząc moment wystąpienia transakcji.

Przyszłe trendy w kryptografii dla Blockchain

Kryptografia postkwantowa 

W miarę rozwoju komputerów kwantowych znacząco zagrażają obecnym algorytmom kryptograficznym. Obliczenia kwantowe wykorzystują kubity i zaawansowaną mechanikę, która może złamać metody szyfrowania, takie jak kryptografia krzywych eliptycznych (ECC) i RSA. Aby zaradzić temu zagrożeniu, badacze opracowują kryptografię postkwantową — nowe algorytmy zaprojektowane z myślą o zabezpieczeniu przed atakami kwantowymi. Przykłady takich algorytmów odpornych na kwanty obejmują kryptografię opartą na sieciach, opartą na skrótach i wielowymiarową kryptografię wielomianową.

Ewoluujące standardy kryptograficzne

Standardy kryptograficzne stale ewoluują, aby stawić czoła nowym zagrożeniom bezpieczeństwa. Programiści muszą być na bieżąco z najnowszymi osiągnięciami, aby mieć pewność, że ich środki bezpieczeństwa blockchain pozostają niezawodne. Ciągłe uczenie się, wdrażanie najlepszych praktyk i współpraca ze społecznością kryptograficzną są niezbędne do opracowywania bezpiecznych rozwiązań.

Praktyczny przewodnik wdrożeniowy 

Narzędzia i biblioteki 

Oto kilka powszechnie używanych narzędzi i bibliotek do wdrażania kryptografii:

  • OpenSSL: zestaw narzędzi typu open source powszechnie używany do implementacji protokołu SSL/TLS.

  • Bouncy Castle: zbiór interfejsów API zapewniających lekkie funkcje kryptograficzne i dostawców rozszerzenia Java Cryptography Extension (JCE).

  • Libsodium: popularna biblioteka kryptograficzna znana z łatwości obsługi i silnych funkcji bezpieczeństwa.

  • PyCryptodome: pakiet Pythona do operacji kryptograficznych niskiego poziomu.

  • web3.js i ether.js: Biblioteki JavaScript służą do interakcji z blockchainem Ethereum.

Przykładowe fragmenty kodu:

Ten fragment kodu pokazuje: 

Generowanie pary kluczy przy użyciu OpenSSL:

# Wygeneruj klucz prywatny

openssl genpkey -algorithm RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

# Wyodrębnij klucz publiczny

openssl rsa -pubout -in klucz_prywatny.pem -out klucz_publiczny.pem

Haszowanie:

# Zaszyfruj plik za pomocą SHA-256

openssl dgst -sha256 plik.txt

Podpisanie transakcji:

z importu Crypto.Signature pkcs1_15

z Crypto.Hash importuj SHA256

wiadomość = b’Transakcja Blockchain’

hash_obj = SHA256.new(wiadomość)

podpis = pkcs1_15.new(klucz_prywatny).sign(hash_obj)

Wniosek 

Podsumowując, kryptografia odgrywa kluczową rolę w łańcuchu bloków, zapewniając zaufanie, integralność i bezpieczeństwo aplikacji, czyniąc je solidnymi i niezawodnymi. Programiści muszą dobrze znać najnowsze osiągnięcia i wszystkie trendy w tej dziedzinie, aby móc tworzyć bezpieczne, zdecentralizowane aplikacje. Korzystaj z najlepszych praktyk i zwracaj uwagę na potencjalne naruszenia i kod, aby zapewnić bezpieczeństwo!

Często zadawane pytania

Czym jest kryptografia w blockchain? 

Kryptografia w blockchainie jest podstawą systemu bezpieczeństwa, zapewniając bezpieczną i prywatną transmisję.

Jak działa szyfrowanie w rozwoju blockchain? 

Szyfrowanie to technika, w której wiadomość lub dane są przekształcane w szyfr, który mogą odszyfrować wyłącznie upoważnione strony.

Czym są podpisy cyfrowe i jakie są przypadki ich użycia w blockchain?

Miarą autentyczności jest podpis cyfrowy używany do uwierzytelniania i integralności.

Jaka jest różnica między kryptografią symetryczną i asymetryczną w blockchain? 

Symetryczny używa tego samego klucza do szyfrowania i opisu, podczas gdy asymetryczny używa różnych kluczy.

W jaki sposób zarządza się kluczami publicznymi i prywatnymi w rozwoju blockchain?

Klucze publiczne są dystrybuowane w sposób otwarty, natomiast klucze prywatne są utrzymywane w tajemnicy.

Jaką rolę odgrywa kryptografia w algorytmach konsensusu blockchain?

Zasady kryptograficzne są stosowane w mechanizmach konsensusu, takich jak Pow i PoS.

W jaki sposób programiści mogą chronić się przed atakami kryptograficznymi?

Programiści mogą korzystać z silnego szyfrowania i efektywnie zarządzać kluczami.

Jakie znaczenie dla blockchain ma kryptografia postkwantowa?

Przygotowuje to blockchain na przyszłe potencjalne zagrożenia.