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.