Пост «Криптография 101: ключ к разработке блокчейна для начинающих» впервые появился на Coinpedia Fintech News
Введение
Обзор криптографии
Криптография — это щит в нашем цифровом мире, где угрозы распространены. Это практика защиты связи, обеспечивающая доступ к информации только авторизованным людям. Криптография заключалась в преобразовании сообщений в нечитаемый текст и обратно в читаемую форму на другом конце.
Современная криптография сегодня намного более продвинута и сочетает в себе информатику и математику. Алгоритмы предназначены для решения сложных задач, что затрудняет их взлом. Несмотря на то, что эти алгоритмы могут быть решены теоретически, их практически невозможно взломать за разумное время. Это делает криптографию решающим фактором для обеспечения безопасности данных, защиты конфиденциальности и подтверждения личности.
Криптография в технологии блокчейн
В технологии блокчейна криптография имеет фундаментальное значение. Блокчейн полагается на криптографию для обеспечения безопасности. Без этого развитие блокчейна было бы невозможно. Вот как это работает:
Безопасные транзакции: криптография гарантирует безопасность транзакций.
Шифрование. Сообщения и важная информация о транзакциях кодируются уникальным образом и могут быть декодированы только предполагаемым получателем.
Хеширование блоков. Блоки в блокчейне хешируются с использованием уникальной, но случайной хэш-функции, которая помогает их проверять и защищать. Криптография защищает транзакции между сетевыми узлами, защищая конфиденциальность пользователей и целостность данных. По сути, криптография является основой безопасности блокчейна.
Исторический контекст и эволюция
Краткая история
Большинству из нас знаком классический сценарий с участием Алисы, Боба и Евы, где Алиса и Боб общаются, а Ева пытается подслушивать. Этот сценарий подчеркивает корни традиционной криптографии, которая изначально была ориентирована на сохранение конфиденциальности сообщений. Ранняя криптография заключалась в шифровании сообщений для предотвращения их подслушивания и расшифровке их при получении. В древние времена криптография опиралась на лингвистику и языковые закономерности. Сегодня он опирается на различные области информатики, включая сложность вычислений, теорию информации, теорию чисел и комбинаторику.
Влияние на блокчейн
Блокчейны — это децентрализованные системы, которые в значительной степени полагаются на безопасность и конфиденциальность. Криптография занимает центральное место в технологии блокчейна. Ключевые достижения криптографии, такие как хэш-функции, криптография с открытым ключом, цифровые подписи и доказательство работы, являются важной адаптацией криптографических методов. Эти достижения обеспечивают безопасность и целостность систем блокчейна.
Основные понятия криптографии для разработчиков
Шифрование и дешифрование
Шифрование — это преобразование обычного текста в нечитаемый формат, называемый зашифрованным текстом. Дешифрование — это обратный процесс, при котором зашифрованный текст преобразуется обратно в обычный текст. Эти два процесса являются фундаментальными для криптографии. Исторически этот возвратно-поступательный механизм широко использовался военными и другими организациями из-за его надежности.
Симметричная и асимметричная криптография
Симметричный: этот метод использует один и тот же ключ как для шифрования, так и для дешифрования. Известное как шифрование с секретным ключом, оно часто реализуется с помощью таких систем, как стандарт шифрования данных (DES). Расшифровать данные могут только лица, имеющие доступ к секретному ключу. Симметричная криптография эффективна для шифрования больших объемов данных и обычно используется для обеспечения безопасности веб-сайтов. Он передает данные быстро и требует меньше вычислительной мощности.
Асимметричный. Этот метод, также известный как криптография с открытым ключом, использует два разных ключа — открытый и закрытый. Открытый ключ используется для обмена информацией с другими, а закрытый ключ используется для расшифровки сообщений и проверки цифровых подписей. Этот метод медленнее и требует большей вычислительной мощности, но имеет решающее значение для аутентификации веб-сервера и безопасной связи. В отличие от симметричных ключей, вы можете получить открытый ключ из закрытого ключа, но не наоборот. Примеры включают криптографию на основе эллиптических кривых (ECC) и стандарт цифровой подписи (DSS).
Криптографические хэш-функции
Хэш-функции — популярный метод в информатике, который не использует ключи, но при этом обеспечивает целостность данных. Хеширование создает выходные данные фиксированного размера из входных данных, которые часто представляют собой случайную строку символов. Хэш-функции имеют решающее значение в блокчейне для связывания блоков и обеспечения безопасности и целостности содержащихся в них данных.
Ключевые свойства хеш-функций:
Детерминизм: конкретный уникальный ввод всегда имеет один и тот же уникальный хэш.
Устойчивость к столкновениям: сложно определить два разных входных значения из одного и того же хэша.
Эффект лавины: любое незначительное изменение во входном сообщении или последовательности может полностью изменить хеш-функцию.
Функции, специфичные для блокчейна:
Общие хэш-функции, используемые в блокчейне, включают SHA-256 и MD5. Например, SHA-256 используется в Биткойне для обеспечения безопасности и целостности транзакций. Хэш-функции жизненно важны в блокчейнах, поскольку они предотвращают несанкционированную модификацию данных, уменьшают потребность в полосе пропускания и упрощают проверку данных.
Цифровые подписи и их важность
Цифровые подписи служат доказательством подлинности и целостности транзакций, гарантируя их законность и неизменность. Чтобы создать цифровую подпись, отправитель использует свой закрытый ключ и данные транзакции для создания уникальной подписи с использованием определенного алгоритма. Получатель может проверить эту подпись с помощью открытого ключа отправителя, чтобы подтвердить ее подлинность.
В блокчейне каждая транзакция подписывается закрытым ключом отправителя и проверяется соответствующим открытым ключом перед добавлением в блокчейн.
Открытые и закрытые ключи: основа безопасности блокчейна
Генерация пары ключей
Открытые и закрытые ключи генерируются с использованием криптографических алгоритмов, обычно с использованием методов асимметричного шифрования. Популярные алгоритмы включают криптографию с эллиптической кривой (ECC), алгоритм цифровой подписи (DSA) и Ривест-Шамира-Адлемана (RSA). ECC часто предпочтительнее из-за меньшего размера ключа. Частные ключи должны храниться в секрете и в безопасности, а открытые ключи могут быть переданы другим лицам. Аппаратные модули безопасности (HSM) помогают защитить закрытые ключи, а резервные копии необходимы для предотвращения потери.
Роль в транзакциях
Открытые и закрытые ключи имеют решающее значение для безопасности и проверки транзакций. Закрытый ключ используется для создания подписи, а открытый ключ — для ее проверки, обеспечивая подлинность и неизменность транзакции.
Управление кошельком
Ключи хранятся в кошельках блокчейна, которые могут быть программными или аппаратными. Кошельки бывают двух типов:
Горячие кошельки: это онлайн-кошельки, подключенные к Интернету, например мобильные или веб-кошельки, которые удобны для частых транзакций.
Холодные кошельки — это автономные решения для хранения, такие как аппаратные или бумажные кошельки, которые обеспечивают повышенную безопасность при долгосрочном хранении.
Используйте надежное шифрование, пароли и кодовые фразы для защиты своего блокчейн-кошелька. Внедрите методы мультиподписи, требующие нескольких закрытых ключей для авторизации транзакций, и используйте двухфакторную аутентификацию (2FA) для дополнительной безопасности. Всегда создавайте резервные копии своих исходных фраз и закрытых ключей в автономных местах и выбирайте надежные кошельки с надежными функциями безопасности. Никогда не делитесь своим секретным ключом; используйте надежные пароли для защиты своего кошелька.
Алгоритмы консенсуса, использующие криптографию
Доказательство работы (PoW):
Доказательство работы, часто называемое майнингом, представляет собой децентрализованную систему, в которой члены сети или майнеры соревнуются за решение криптографических головоломок. Первый майнер, решивший головоломку, добавляет следующий блок в блокчейн и получает вознаграждение. Этот процесс использует хеширование для защиты блокчейна. Сложность головоломок PoW обеспечивает безопасность блокчейна и контролирует скорость добавления новых блоков.
Доказательство доли (PoS):
Proof of Stake выбирает валидаторов для новых блоков на основе количества монет, которыми они владеют, и их доли в качестве залога. Однако этот выбор основан не только на количестве монет, но и на таких факторах, как возраст монет и случайность. Валидаторы выбираются на основе наименьшего значения хеш-функции и наибольшей суммы ставки. PoS более энергоэффективен, чем PoW.
Другие механизмы консенсуса включают делегированное доказательство доли (DPoS), которое использует избранных делегатов и репутацию для проверки транзакций, и практическую византийскую отказоустойчивость (PBFT), используемую для достижения консенсуса в системах блокчейна.
Практическое применение криптографии в разработке блокчейнов
Безопасность транзакций
Криптография жизненно важна для защиты транзакций с помощью различных методов:
Цифровые подписи: обеспечивают подлинность, целостность и невозможность отказа от транзакций.
Шифрование: обеспечивает конфиденциальность транзакций.
Хэш-функции: убедитесь, что данные остаются неизменными; любое изменение деталей транзакции нарушает работу хэш-функции.
Смарт-контракты
Криптографические принципы гарантируют безопасность и надежность смарт-контрактов:
Авторизация: Управляется с помощью цифровых подписей.
Целостность: обеспечивается хешированием, что предотвращает подделку.
Предсказуемость: детерминированное исполнение обеспечивает надежное выполнение контракта.
Конфиденциальность: поддерживается посредством шифрования, ограничивая доступ только авторизованным лицам.
Разработка децентрализованных приложений
Криптография необходима при разработке безопасных децентрализованных приложений (DApps):
Аутентификация пользователя: вместо традиционных идентификаторов пользователей используется криптография с открытым ключом для беспрепятственного входа в систему.
Безопасность данных: обеспечивается методами шифрования и хеширования.
Безопасность транзакций: управляется с помощью цифровых подписей.
Примеры включают платформы DeFi и DApps для управления цепочками поставок.
Распространенные криптографические атаки и стратегии смягчения их последствий
Типы атак
Атака методом перебора: злоумышленники пробуют все возможные комбинации, чтобы взломать шифрование. Слабые или короткие пароли особенно уязвимы.
Атака «Человек посередине» (MitM): злоумышленник перехватывает связь между отправителем и получателем, потенциально изменяя данные и нарушая безопасность.
Атака повторного воспроизведения. Мошеннические транзакции используют действительные данные предыдущих транзакций для несанкционированной повторной передачи или повторения транзакций.
Методы смягчения последствий
Используйте стойкое шифрование: используйте длинные ключи и регулярно меняйте их.
Безопасное хранение ключей: используйте аппаратные модули безопасности (HSM) и ограничьте доступ.
Включить двухфакторную аутентификацию (2FA): добавляет дополнительный уровень безопасности.
Используйте цифровые сертификаты: предотвращает атаки «человек посередине».
Используйте сложные ключи. Убедитесь, что ключи непредсказуемы и сложны.
Внедрите сквозное шифрование: защищает данные на протяжении всего пути.
Использовать временные метки: предотвращает атаки повторного воспроизведения, отслеживая, когда происходят транзакции.
Будущие тенденции в криптографии для блокчейна
Постквантовая криптография
По мере развития квантовых компьютеров они серьезно угрожают современным криптографическим алгоритмам. Квантовые вычисления используют кубиты и передовую механику, которая может взломать такие методы шифрования, как криптография с эллиптической кривой (ECC) и RSA. Чтобы противостоять этой угрозе, исследователи разрабатывают постквантовую криптографию — новые алгоритмы, предназначенные для защиты от квантовых атак. Примеры этих квантовоустойчивых алгоритмов включают криптографию на основе решетки, хеш-функции и многомерную полиномиальную криптографию.
Развивающиеся криптографические стандарты
Криптографические стандарты постоянно развиваются для устранения новых угроз безопасности. Разработчики должны быть в курсе последних достижений, чтобы гарантировать, что их меры безопасности блокчейна остаются надежными. Постоянное обучение, внедрение лучших практик и взаимодействие с криптографическим сообществом необходимы для разработки безопасных решений.
Практическое руководство по внедрению
Инструменты и библиотеки
Вот некоторые широко используемые инструменты и библиотеки для реализации криптографии:
OpenSSL: набор инструментов с открытым исходным кодом, обычно используемый для реализации SSL/TLS.
Bouncy Castle: набор API-интерфейсов, предоставляющих упрощенные криптографические функции и поставщиков расширения криптографии Java (JCE).
Libsodium: популярная криптографическая библиотека, известная своей простотой использования и надежными функциями безопасности.
PyCryptodome: пакет Python для низкоуровневых криптографических операций.
web3.js и ether.js: библиотеки JavaScript используются для взаимодействия с блокчейном Ethereum.
Примеры фрагментов кода:
Этот фрагмент кода показывает:
Генерация пары ключей с использованием OpenSSL:
# Генерируем закрытый ключ
openssl genpkey -algorithm RSA -out Private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
# Извлекаем открытый ключ
openssl rsa -pubout -in приватный_ключ.pem -out public_key.pem
Хеширование:
# Хэшируем файл с помощью SHA-256
openssl dgst -sha256 файл.txt
Подписание транзакции:
из импорта Crypto.Signature pkcs1_15
из Crypto.Hash импортировать SHA256
сообщение = b’Блокчейн-транзакция’
hash_obj = SHA256.new (сообщение)
подпись = pkcs1_15.new(private_key).sign(hash_obj)
Заключение
Подводя итог, можно сказать, что криптография играет жизненно важную роль в блокчейне, обеспечивая доверие, целостность и безопасность приложений, делая их устойчивыми и надежными. Разработчикам необходимо хорошо разбираться в последних достижениях и всех тенденциях в этой области для разработки безопасных децентрализованных приложений. Используйте лучшие практики и будьте внимательны к потенциальным нарушениям и коду для обеспечения безопасности!
Часто задаваемые вопросы
Что такое криптография в блокчейне?
Криптография в блокчейне является основой системы безопасности, обеспечивающей безопасную и конфиденциальную передачу.
Как работает шифрование при разработке блокчейна?
Шифрование — это метод, при котором сообщение или данные преобразуются в шифр, который может быть расшифрован только авторизованными сторонами.
Что такое цифровые подписи и каковы варианты их использования в блокчейне?
Мерой подлинности является цифровая подпись, которая используется для аутентификации и целостности.
В чем разница между симметричной и асимметричной криптографией в блокчейне?
Симметричный использует один и тот же ключ для шифрования и описания, тогда как асимметричный использует разные ключи.
Как управляются открытые и закрытые ключи при разработке блокчейна?
Открытые ключи распространяются открыто, а закрытые ключи хранятся в секрете.
Какую роль криптография играет в алгоритмах консенсуса блокчейна?
Криптографические принципы используются в механизмах консенсуса, таких как Pow и PoS.
Как разработчики могут защититься от криптографических атак?
Разработчики могут использовать стойкое шифрование и эффективно управлять ключами.
Какова важность постквантовой криптографии для блокчейна?
Это подготавливает блокчейн к будущим потенциальным угрозам.
