В условиях масштабной цифровой трансформации современного общества, обусловленной развитием подключенных устройств, облачных вычислений, онлайн-рынков и социальных платформ, эффективная кибербезопасность стала не просто опцией, а необходимостью. В основе этой безопасности лежит криптография — наука о защите информации таким образом, чтобы только заинтересованные стороны могли ее прочитать или проверить.
Криптография лежит в основе сетевой безопасности, используя методы, которые скрывают смысл данных, обеспечивая при этом бесперебойную работу в сети. Она гарантирует конфиденциальность, целостность и аутентификацию информации с помощью таких методов, как шифрование, хеширование и цифровые подписи. По мере появления новых технологий криптографические методы продолжают укреплять системы безопасности и защищать конфиденциальность, целостность и доступность данных для частных лиц, предприятий и правительств по всему миру.
Нигде это не проявляется так наглядно, как в технологии блокчейн. Биткоин, Эфириум и тысячи других блокчейн-сетей функционируют благодаря криптографии. Без неё не было бы возможности проверять транзакции без центрального органа, не было бы возможности предотвратить фальсификацию исторических данных и не было бы возможности доказать право собственности на цифровой актив. Криптография — это не одна из особенностей блокчейна; это фундамент, на котором строится всё остальное.
Присоединяйтесь к UEEx
Познакомьтесь с ведущей в мире платформой цифрового управления капиталом
Это руководство написано для начинающих, которые хотят понять криптографию простым языком, как она работает в частности в блокчейне, какие существуют типы и алгоритмы, как она защищает от атак и что ждет нас в будущем, когда квантовые вычисления станут реальной проблемой.
Криптография — это наука о защите информации с помощью математических методов. В блокчейне она обеспечивает целостность данных, аутентифицирует транзакции, контролирует доступ и делает реестр устойчивым к несанкционированному изменению.
В блокчейне используются три основные категории криптографических методов: симметричное шифрование, асимметричное шифрование и хеширование. Каждый из них служит определенной цели.
Асимметричная криптография, в частности криптография на эллиптических кривых (ECC), является основой для подписания транзакций в блокчейне и генерации адресов кошельков.
SHA-256 — это основная хеш-функция, используемая в Биткоине. Она преобразует любые входные данные в фиксированные 256-битные выходные данные и является основополагающей для майнинга по алгоритму Proof of Work и связывания блоков.
Цифровые подписи одновременно обеспечивают аутентификацию, целостность данных и невозможность отказа от авторства — три свойства, необходимые для проверки транзакции в блокчейне без участия центрального органа.
Деревья Меркла позволяют эффективно проверять отдельные транзакции без загрузки всего блокчейна, используя иерархическое хеширование для получения единого корневого хеша для каждого блока.
К распространённым криптографическим атакам на блокчейн-сети относятся атаки методом перебора, атака типа «человек посередине», атака повторного воспроизведения, атака Сибиллы и атака 51%. Каждая из них использует уязвимости на разных уровнях сети.
В августе 2024 года NIST утвердил три постквантовых стандарта криптографии (CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium и SPHINCS+). По оценкам экспертов, вероятность появления криптографически значимого квантового компьютера к концу 2030-х годов превышает 50%. Сообществам блокчейна необходимо начать планировать миграцию уже сейчас.
Что такое криптография? Введение простым языком.
Криптография происходит от греческих слов «kryptos» (скрытый) и «graphia» (письмо). Это практика и изучение методов защиты коммуникации и данных от воздействия противников, которые могут перехватить, изменить или подделать эту информацию.
В своей основе криптография преобразует читаемую информацию (называемую открытым текстом) в нечитаемую зашифрованную форму (называемую зашифрованным текстом) с помощью математического алгоритма и ключа. Только лица, обладающие правильным ключом, могут обратить преобразование вспять и восстановить исходную информацию. Это и есть шифрование. Но криптография идет дальше, чем просто сокрытие данных. Она также позволяет проверить, не были ли данные изменены, подтвердить, кто создал или отправил сообщение, и доказать, что конкретная сторона санкционировала определенное действие, и все это без опоры на доверие к какому-либо центральному посреднику.
Эти свойства напрямую соответствуют основным потребностям сети блокчейн. Блокчейн должен позволять любому пользователю проверить, не были ли изменены данные транзакций (целостность), подтвердить, что транзакции были инициированы законным владельцем средств (аутентификация), предотвратить двойное расходование одних и тех же средств (неотказуемость) и обеспечить возможность осуществления всего этого без участия банка, правительства или другой центральной стороны для разрешения споров.
Криптография делает все это возможным исключительно благодаря математике.
Простая аналогия: представьте криптографию как набор сейфов и ключей. Симметричная криптография дает отправителю и получателю один и тот же ключ для запирания и отпирания одного и того же сейфа. Асимметричная криптография дает каждому общедоступный замок, который он может использовать для запирания сейфа, но открыть его может только тот, кто владеет соответствующим закрытым ключом. Хэширование — это односторонний процесс: как только вы что-то ввели, вы получили уникальный результат, но вы никогда не сможете восстановить исходные данные только из этих данных.
Краткая история криптографии
Криптография — не новая концепция. Простые шифры использовались на протяжении тысячелетий для защиты военных коммуникаций. Юлий Цезарь кодировал сообщения, сдвигая каждую букву алфавита на фиксированное количество позиций — это называется шифром Цезаря. В древней Спарте использовались скитальские шифры, при которых полоска кожи обматывалась вокруг стержня определённого диаметра, чтобы раскрыть скрытое сообщение.
В 1950-х и 1960-х годах первые мэйнфреймы использовали простые проприетарные шифры для защиты данных в изолированных вычислительных средах. С расширением распределенных сетей в 1970-х годах потребность в совместимых криптографических стандартах стала критически важной. Новаторская работа Уитфилда Диффи и Мартина Хеллмана в 1976 году представила концепцию криптографии с открытым ключом, решив ранее неразрешимую проблему безопасного обмена секретным ключом между двумя сторонами, которые никогда не встречались, по незащищенной сети. Эта работа широко считается истоком современной криптографии.
В 1980-х и 1990-х годах была стандартизирована технология шифрования данных (DES), которая впоследствии была заменена на расширенную технологию шифрования (AES). В 2000-х годах широко распространилась криптография на эллиптических кривых (ECC), которая обеспечивает эквивалентную безопасность по сравнению с RSA, используя значительно меньшие размеры ключей, что делает её гораздо более эффективной для ограниченных сред, таких как мобильные устройства и узлы блокчейна.
Сегодня криптография — это невидимая инфраструктура интернета. Каждый раз, когда вы видите значок замка в своем браузере, посещаете веб-сайт с протоколом HTTPS, используете мессенджер со сквозным шифрованием или отправляете криптовалютную транзакцию, вы получаете выгоду от десятилетий математических исследований и стандартизации.
Почему криптография играет центральную роль в блокчейне
Блокчейн — это, по сути, распределенный реестр: база данных, которая реплицируется на тысячах или миллионах компьютеров по всему миру, без единого владельца или центрального сервера. Это создает огромные сложности. Как гарантировать идентичность каждой копии базы данных? Как предотвратить изменение исторических записей злоумышленниками или мошеннические транзакции? Как проверить право собственности на цифровые активы без банка, который мог бы проверить баланс?
Традиционные базы данных решают эти проблемы, контролируя доступ к данным со стороны доверенного центрального органа — банка, государственного реестра или ИТ-отдела компании. Блокчейн заменяет этот доверенный орган криптографическими гарантиями. Математические основы обеспечивают соблюдение правил.
Криптография выполняет шесть основополагающих функций в любой блокчейн-сети:
Целостность данных.Хэш-функции Для каждого блока данных создается уникальный цифровой отпечаток. Если изменяется хотя бы один символ в блоке, отпечаток полностью меняется, мгновенно сигнализируя о попытке взлома каждому узлу в сети.
Аутентификация. Цифровые подписи доказывают, что транзакция была инициирована законным владельцем отправляющего кошелька, без раскрытия закрытого ключа, управляющего этими средствами.
Неотрекаемость. После подписания сделки с закрытый ключ Если подпись подтверждена в блокчейне, отправитель впоследствии не сможет заявить, что он не давал на это разрешения. Подпись является математическим доказательством авторизации.
Конфиденциальность. Криптография с открытым ключом позволяет пользователям контролировать доступ к конфиденциальным данным, гарантируя, что расшифровать информацию, зашифрованную соответствующим открытым ключом, сможет только владелец правильного закрытого ключа.
Неизменяемость. Криптографическая цепочка блоков с использованием хешей делает вычислительно нецелесообразным изменение исторических записей без аннулирования каждого последующего блока и повторного выполнения соответствующего доказательства работы.
Ключевой менеджмент. Криптография обеспечивает надежные механизмы для генерации, распространения, хранения и отзыва криптографических ключей, контролирующих доступ к кошелькам. умные контрактыи узлов сети.
Три основных типа криптографии, используемых в блокчейне.
1. Симметричное шифрование
Симметричное шифрование — это простейшая и старейшая форма шифрования. Оно использует один общий ключ как для шифрования, так и для расшифровки данных. Отправитель блокирует данные с помощью ключа, передает зашифрованный текст, а получатель расшифровывает его, используя тот же ключ. Этот подход быстр и вычислительно эффективен, что делает его хорошо подходящим для шифрования больших объемов данных.
Наиболее широко используемым сегодня симметричным алгоритмом шифрования является Advanced Encryption Standard (AES), выбранный Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) в 2001 году после жесткого открытого конкурса. AES работает с 128-битными блоками данных, используя ключи длиной 128, 192 или 256 бит. Чем длиннее ключ, тем надежнее шифрование. AES-256 считается невзламываемым классическими компьютерами. Другие распространенные симметричные алгоритмы включают семейство ChaCha20, используемое в современных TLS-соединениях, и более старый Triple DES (3DES), который постепенно выводится из эксплуатации.
Фундаментальным ограничением симметричного шифрования является проблема распределения ключей: как безопасно передать секретный ключ другой стороне, не допустив его перехвата злоумышленником? В контексте блокчейна это делает симметричное шифрование плохо подходящим для подписания транзакций или доступа к кошелькам, где отсутствует заранее установленный безопасный канал связи между сторонами. Однако симметричное шифрование играет важную роль в защите данных, хранящихся в состоянии покоя в блокчейн-системах, и в шифровании коммуникаций между узлами в частных или разрешенных блокчейн-сетях.
Присоединяйтесь к UEEx
Познакомьтесь с ведущей в мире платформой цифрового управления капиталом
Представьте, что у вас и вашего друга есть копии одного и того же ключа от дневника. Вы запираете свой дневник (шифруете данные), а ваш друг, у которого тоже есть ключ, может открыть его и прочитать (расшифровать). Безопасность полностью зависит от сохранения ключа в секрете от всех остальных. Проблема: как получить один и тот же ключ, не будучи перехваченным кем-либо?
Общие симметричные алгоритмы
Алгоритм
Размер ключа
Размер блока
Статус
AES (улучшенный стандарт шифрования)
128, 192, 256 бита
128 биты
Действующий стандарт. Широко используется во всем мире.
ChaCha20
256 биты
Потоковое шифрование
Современная, быстрая альтернатива AES. Используется в TLS 1.3 и WireGuard.
3DES (тройной DES)
112 или 168 бита
64 биты
Устаревшая технология. Постепенно выводится из эксплуатации. Не рекомендуется для новых систем.
Blowfish
от 32 до 448 бит
64 биты
Более старая версия. В большинстве приложений заменена на AES.
DES (стандарт шифрования данных)
56 биты
64 биты
Сломано. Использовать нельзя.
2. Асимметричное шифрование (криптография с открытым ключом)
Асимметричное шифрование решило проблему распределения ключей, которая ограничивает возможности симметричных систем. Вместо одного общего ключа каждый участник имеет математически связанную пару ключей: открытый ключ, которым можно свободно делиться с кем угодно, и закрытый ключ, который должен храниться в строжайшей тайне его владельцем. Данные, зашифрованные открытым ключом, могут быть расшифрованы только соответствующим закрытым ключом, и наоборот.
Это создает две мощные возможности. Во-первых, любой может отправить вам зашифрованное сообщение, зашифровав его вашим открытым ключом, зная, что расшифровать его можете только вы, используя свой закрытый ключ. Во-вторых, вы можете доказать, что являетесь автором сообщения, зашифровав его (или, точнее, его хеш) своим закрытым ключом для создания цифровой подписи. Любой, у кого есть ваш открытый ключ, может проверить подпись, подтвердив, что она могла быть создана только владельцем соответствующего закрытого ключа.
Блокчейн практически полностью основан на асимметричной криптографии для аутентификации транзакций и генерации адреса кошелька. Адрес вашего блокчейн-кошелька формируется на основе вашего открытого ключа. Когда вы хотите отправить средства, вы подписываете транзакцию своим закрытым ключом. Каждый узел в сети может проверить эту подпись, используя ваш открытый ключ, подтверждая, что вы являетесь законным владельцем адреса отправителя, без необходимости раскрывать свой закрытый ключ.
ЮАР (Ривест-Шамир-Адлеман)
RSA — старейший и наиболее известный асимметричный алгоритм шифрования, разработанный в 1977 году Роном Ривестом, Ади Шамиром и Леонардом Адлеманом. Его безопасность основана на математической сложности разложения на множители произведения двух очень больших простых чисел. При достаточно большом ключе (не менее 2048 бит для современных требований к безопасности, а 4096 бит рекомендуются для долгосрочной безопасности) разложение ключа на множители является вычислительно невыполнимой задачей для классических компьютеров.
Алгоритм RSA широко используется для защиты веб-трафика (HTTPS), шифрования электронной почты (PGP) и цифровых сертификатов. Однако он редко используется напрямую в крупных блокчейн-сетях, поскольку большие размеры ключей делают его неэффективным для обработки больших объемов транзакций, необходимых блокчейнам. Также известно, что RSA уязвим для квантовых компьютеров, работающих с алгоритмом Шора, который может разлагать на множители большие простые произведения за полиномиальное время.
Криптография эллиптических кривых (ECC)
Криптография на эллиптических кривых (ECC) — это асимметричный стандарт шифрования, используемый большинством крупных блокчейн-сетей, включая Bitcoin и Ethereum. ECC обеспечивает безопасность, эквивалентную RSA, используя значительно меньшие размеры ключей, поскольку её математическая основа (сложность решения задачи дискретного логарифма на эллиптической кривой, или ECDLP) сложнее взломать на единицу длины ключа, чем задача разложения на простые множители в RSA.
256-битный ключ ECC обеспечивает примерно эквивалентную безопасность по сравнению с 3072-битным ключом RSA. Это означает, что операции ECC выполняются быстрее, используют меньше памяти и более эффективны в условиях ограниченного пространства, таких как узлы блокчейна и аппаратные кошельки. Биткойн использует специальную эллиптическую кривую secp256k1, в то время как Ethereum использует как secp256k1, так и Curve25519 в зависимости от приложения. Стандартный алгоритм подписи, построенный на основе ECC, называется ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm).
Как работает пара ключей в блокчейне:
Вы генерируете случайное 256-битное число. Это ваш закрытый ключ: храните его в строжайшей тайне. Используя эллиптическую кривую secp256k1, вы математически выводите соответствующий открытый ключ из закрытого ключа. Из открытого ключа вы получаете адрес своего кошелька с помощью ряда хеш-функций. Любой может отправить средства на ваш адрес. Только владелец вашего закрытого ключа может подписать транзакцию для расходования этих средств.
Обмен ключами Диффи-Хеллмана
Протокол обмена ключами Диффи-Хеллмана (DH), опубликованный в 1976 году, стал первым практическим методом, позволяющим двум сторонам установить общий секрет по незащищенному каналу без предварительной связи. Он работает следующим образом: обе стороны договариваются об открытом наборе математических параметров, каждая генерирует собственное случайное число, обменивается вычисленными открытыми значениями, полученными из этих частных чисел, и независимо друг от друга получают один и тот же общий секрет благодаря остроумному математическому свойству модульного возведения в степень.
Ни одна из сторон никогда не передает общий секрет напрямую. Наблюдатель, перехватывающий общедоступные значения, практически не может вывести общий секрет, поскольку для этого требуется решить задачу дискретного логарифма. Вариант Диффи-Хеллмана на эллиптических кривых (ECDH) применяет тот же принцип, используя математику эллиптических кривых, обеспечивая ту же безопасность при гораздо меньших размерах ключей. ECDH широко используется в протоколах блокчейна для установления защищенных каналов связи между узлами.
Инфраструктура открытых ключей (PKI)
Инфраструктура открытых ключей (PKI) — это набор политик, процедур, оборудования, программного обеспечения и стандартов, необходимых для создания, управления, распространения, хранения, использования и отзыва цифровых сертификатов и пар открытых и закрытых ключей в масштабах всей сети. PKI позволяет интернету быть уверенным в том, что открытый ключ, связанный с доменным именем, действительно принадлежит законному оператору веб-сайта, посредством цепочки доверия, основанной на центрах сертификации (ЦС), открытые ключи которых предварительно установлены в браузерах и операционных системах.
В сетях блокчейн концепции PKI применяются децентрализованным образом. Центрального центра сертификации нет. Вместо этого доверие обеспечивается самим протоколом блокчейна, подкрепленным криптографическими доказательствами и экономическими стимулами. Открытый ключ вашего кошелька — это его идентификатор в сети, а реестр блокчейна — это запись о том, чем этот идентификатор владеет.
Хэш-функции — это третья и, пожалуй, наиболее важная для блокчейна категория криптографических инструментов. Хэш-функция принимает на вход данные любого размера и выдает на выходе данные фиксированного размера, называемые хешем, дайджестом или отпечатком. В отличие от шифрования, хэширование — это односторонний процесс: вы можете вычислить хэш любого входного значения, но вы не можете восстановить исходные данные только на основе хеша.
Криптографические хеш-функции, используемые в блокчейне, должны удовлетворять пяти важнейшим свойствам:
Детерминистический. Один и тот же входной сигнал всегда приводит к одному и тому же выходному сигналу на каждой машине, каждый раз. Это крайне важно для достижения консенсуса: если два узла хешируют одни и те же данные блока, они должны получить один и тот же хеш.
Сопротивление проекции (одностороннее). Имея хеш, вычислительно нецелесообразно найти исходные входные данные, которые его породили.
Эффект лавины. Даже малейшее изменение входных данных (изменение одного бита) приводит к совершенно другому результату хеширования. Это делает обнаружение подделки мгновенным и надежным.
Устойчивость к столкновениям. С вычислительной точки зрения невозможно найти два разных входных параметра, которые дадут одинаковый хеш на выходе.
Быстрые вычисления. Хэши должны быстро вычисляться, чтобы узлы могли эффективно проверять транзакции и блоки в масштабе сети.
Наиболее широко используемый алгоритм хеширования в блокчейне — SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), разработанный Агентством национальной безопасности США и стандартизированный NIST. Это алгоритм, лежащий в основе блокчейна Биткоина и алгоритма майнинга Proof of Work. Ethereum использует Keccak-256 (вариант SHA-3) для генерации адресов и внутренних операций протокола. BLAKE3 — более новая и быстрая альтернатива, привлекающая внимание в новых блокчейн-проектах.
Два совершенно разных 256-битных результата, полученных в результате изменения одного символа.
Устаревшие алгоритмы хеширования, которых следует избегать:
Алгоритмы MD5 и SHA-1 больше не считаются криптографически безопасными. На практике были продемонстрированы атаки с использованием коллизий против обоих алгоритмов. SHA-1 был признан устаревшим NIST в 2011 году. Ни один из них не должен использоваться в новых системах, критически важных с точки зрения безопасности. Для приложений на основе блокчейна всегда следует использовать SHA-256, SHA-3 или BLAKE3.
Как эти три типа взаимодействуют в блокчейне
Понимание каждого типа криптографии в отдельности полезно, но безопасность блокчейна обеспечивается тем, как эти три системы работают вместе как взаимосвязанные слои. Вот полная картина того, как каждый слой играет свою роль в одной транзакции Bitcoin:
Вы решили отправить биткоины. Ваше программное обеспечение кошелька формирует запись о транзакции, содержащую адрес отправителя, адрес получателя и сумму.
Данные транзакции хешируются с использованием алгоритма SHA-256 для получения дайджеста фиксированной длины, представляющего собой уникальный отпечаток транзакции.
Вы подписываете этот хеш, используя свой закрытый ключ с помощью алгоритма ECDSA. Полученная цифровая подпись прикрепляется к транзакции. Это доказывает, что вы авторизовали ее, не раскрывая свой закрытый ключ.
Подписанная транзакция передается в сеть. Каждый узел, получивший ее, может проверить подпись, используя свой общеизвестный открытый ключ, и независимо перехешировать данные транзакции, чтобы подтвердить действительность подписи и отсутствие изменений в данных.
Действительные транзакции собираются в блок. Заголовок блока включает хеш предыдущего блока (создавшего цепочку), корневой хеш Меркла всех транзакций в блоке, метку времени и поле nonce, используемое при майнинге.
Майнеры соревнуются в поиске значения nonce, при котором хеш заголовка блока окажется ниже текущей целевой сложности (хеш с достаточным количеством ведущих нулей). Это и есть вычисление Proof of Work. Найти допустимое значение nonce сложно; проверить его — тривиально.
Победивший майнер рассылает полный блок. Другие узлы проверяют хеш блока, все подписи отдельных транзакций и корень Меркла. Если все в порядке, блок добавляется в их копию цепочки.
Хэш нового блока включается в заголовок следующего блока, навсегда связывая их. Изменение любой предыдущей транзакции изменило бы хэш блока, разорвало бы связь цепочки и потребовало бы повторного выполнения всех последующих операций доказательства работы. Поскольку вся сеть постоянно расширяет свою цепочку, это экономически невыгодно в больших масштабах.
Цифровые подписи: механизм авторизации в блокчейне
Цифровые подписи заслуживают более подробного объяснения, поскольку они представляют собой криптографический механизм, напрямую контролирующий, кто может перемещать средства в блокчейне. Понимание их — это понимание сути безопасности блокчейна.
Цифровая подпись — это результат шифрования хеша документа или транзакции с помощью закрытого ключа подписывающего лица. Она одновременно доказывает три вещи:
Аутентификация: Подпись могла быть получена только владельцем соответствующего закрытого ключа. Она подтверждает личность подписавшего лица, не требуя от него раскрытия какой-либо секретной информации.
Целостность: Подпись содержит хеш конкретных данных. Если какая-либо часть данных изменяется после подписания, хеш изменяется, что делает подпись недействительной. Это позволяет немедленно обнаружить любые попытки внесения изменений в данные транзакции после ее авторизации.
Фиксация авторства: Подписавший документ впоследствии не может отрицать, что он был подписан. Подпись является математическим доказательством полномочий, которое любая сторона может самостоятельно проверить.
Три шага цифровой подписи
Шаг 1: Генерация ключей. Подписывающий генерирует пару открытого и закрытого ключей, используя криптографический алгоритм, такой как ECDSA. Закрытый ключ представляет собой большое случайное число. Открытый ключ математически выводится из него с использованием свойств выбранной эллиптической кривой. Закрытый ключ хранится в секрете; открытый ключ передается в открытом доступе.
Шаг 2: Подписание. Для подписания транзакции программное обеспечение кошелька хеширует данные транзакции (используя SHA-256 в случае Биткоина), а затем применяет алгоритм подписи ECDSA, используя закрытый ключ и хеш в качестве входных данных. На выходе получается цифровая подпись, обычно это два числа в ECDSA, обозначаемые r и s, которые вместе представляют подпись. Эта подпись добавляется к транзакции.
Шаг 3: Проверка. Любая сторона, желающая проверить подпись, берет данные транзакции, самостоятельно хеширует их и применяет алгоритм проверки ECDSA, используя открытый ключ отправителя и значения подписи (r и s). Алгоритм выдает результат true (подпись действительна) или false (подпись недействительна). Действительный результат подтверждает, что транзакция была авторизована владельцем закрытого ключа, соответствующего открытому ключу, и что данные транзакции не были изменены с момента подписания.
Аналогия с цифровой подписью:
Представьте, что вы выписываете чек и ставите на него свою личную восковую печать. Любой, кто знает, как выглядит ваша печать (ваш открытый ключ), может подтвердить, что вы подписали чек. Но только у вас есть кольцо, которое создает вашу уникальную печать (ваш закрытый ключ). Если кто-то изменит сумму на чеке после того, как вы его подписали, восковая печать сломается (изменется хеш, что сделает подпись недействительной), и все смогут увидеть, что она была подделана.
Деревья Меркла: эффективная и проверяемая организация транзакций.
Деревья Меркла — это криптографическая структура данных, используемая в сетях блокчейн для организации, обобщения и эффективной проверки большого количества транзакций в каждом блоке. Они были изобретены Ральфом Мерклом в 1979 году и названы в его честь.
Структура работает следующим образом: сначала хешируются отдельные транзакции, затем эти хеши объединяются в пары, и каждая пара хешируется вместе, затем снова происходит объединение и хеширование, и этот процесс повторяется до тех пор, пока не останется только один хеш. Этот конечный хеш, называемый корнем Меркла, представляет весь набор транзакций в математически компактной форме. Корень Меркла включается в заголовок блока, являясь частью хеша блока.
Хэш( Хэш(AB) + Хэш(CD)) <– одно значение, представляющее все 4 транзакции
Древовидная структура Меркла предоставляет блокчейн-сетям три важные возможности:
Эффективная проверка. Чтобы доказать, что конкретная транзакция включена в подтвержденный блок, вам не нужно загружать весь блок. Вам нужна только сама транзакция, корень Меркла из заголовка блока и небольшой набор хешей соседних транзакций вдоль пути от транзакции к корню (так называемое доказательство Меркла или путь Меркла). Обычно это всего несколько десятков байт для блока, содержащего тысячи транзакций. Легковесные кошельки (SPV-клиенты) используют доказательства Меркла для проверки транзакций без запуска полного узла, что позволяет мобильным криптовалютным кошелькам безопасно функционировать на устройствах с ограниченными ресурсами.
Обнаружение подделки. Изменение любой транзакции в блоке изменяет его хеш, который, в свою очередь, изменяет хеш пары выше, который, в свою очередь, изменяет хеш пары выше, и так далее, вплоть до изменения корня Меркла. Поскольку корень Меркла встроен в заголовок блока и включен в хеш блока, изменение любой транзакции делает недействительным доказательство работы всего блока. Подделка обнаруживается мгновенно.
Параллельная проверка. Поскольку деревья Меркла позволяют генерировать и проверять отдельные доказательства транзакций независимо друг от друга, узлы сети могут одновременно проверять различные части блока, повышая эффективность проверки блоков в масштабе.
Передовые криптографические практики в блокчейн-системах
Знание теории криптографии — это одно. А вот безопасная реализация её в реальной блокчейн-системе требует соблюдения общепринятых передовых методов, усвоенных как в ходе академических исследований, так и на основе ценного практического опыта.
Генерация ключей и случайность
Безопасность асимметричной пары ключей зависит от случайности, используемой для генерации закрытого ключа. Закрытый ключ, сгенерированный с помощью слабого или предсказуемого генератора случайных чисел, может быть угадан или восстановлен злоумышленником, что даст ему полный контроль над соответствующим кошельком. Блокчейн-кошельки должны использовать криптографически стойкие генераторы псевдослучайных чисел (CSPRNG), основанные на подлинной энтропии, как правило, на аппаратных генераторах случайных чисел в современных устройствах. Несколько реальных случаев кражи кошельков произошли из-за низкой случайности при генерации ключей, особенно в ранних веб-кошельках и некорректных реализациях класса Java SecureRandom для Android.
Хранение и защита ключей
Закрытый ключ — это основные учетные данные для блокчейн-кошелька. Тот, кто контролирует закрытый ключ, контролирует все активы в связанном с ним кошельке. Хранение ключей должно отражать эту реальность. Программные кошельки шифруют закрытые ключи на диске, используя ключ, полученный из парольной фразы (сама по себе расширенная с помощью ресурсоемкого алгоритма, такого как Argon2 или scrypt, для защиты от взлома методом перебора). Аппаратные кошельки хранят закрытые ключи в защищенных от несанкционированного доступа аппаратных модулях безопасности, которые никогда не раскрывают исходный закрытый ключ хост-компьютеру, даже при подписании транзакций. Начальные фразы (мнемонические фразы) обеспечивают удобочитаемую резервную копию, из которой может быть детерминированно сгенерирован закрытый ключ.
Никогда не используйте повторно одноразовые коды.
В алгоритме подписи ECDSA каждая подпись требует уникального случайного числа, называемого nonce (часто обозначается как k). Если одно и то же nonce используется для подписи двух разных сообщений одним и тем же закрытым ключом, злоумышленник, наблюдающий за обеими подписями, может математически вычислить закрытый ключ. Это не теоретическая проблема: в 2013 году ошибка в реализации SecureRandom в Android привела к повторному использованию nonce в биткоин-кошельках, что повлекло за собой кражу закрытых ключей и значительные финансовые потери. Современные кошельки используют детерминированную генерацию nonce (RFC 6979), чтобы полностью исключить риск повторного использования nonce.
Использование стандартизированных библиотек
Криптографические алгоритмы должны быть корректно реализованы на уровне кода, чтобы обеспечить теоретические гарантии безопасности. Одна-единственная незначительная ошибка в реализации арифметики на эллиптических кривых, например, может полностью подорвать безопасность системы. Разработчики блокчейна должны использовать хорошо протестированные, прошедшие экспертную оценку криптографические библиотеки, а не разрабатывать алгоритмы с нуля. Создание собственной криптографии — одно из самых опасных действий, которые может совершить разработчик. Стандартные библиотеки, такие как libsecp256k1 (используемая Bitcoin Core), OpenSSL и libsodium, прошли тщательную проверку безопасности и гораздо безопаснее любой собственной реализации.
Смена сертификатов и ключей
Долговечные криптографические ключи со временем накапливают риски. Ключи, которые были скомпрометированы, подозреваются в компрометации или просто устарели, следует обновлять: заменять новыми ключами, а старые ключи аннулировать или объявлять устаревшими. В контексте блокчейна обновление ключей обычно означает генерацию нового адреса кошелька для каждой транзакции, что уже является поведением по умолчанию в современных HD (иерархически детерминированных) кошельках, использующих стандарты BIP32 и BIP39. Использование нового адреса для каждой квитанции повышает конфиденциальность и снижает риск утечки любого отдельного открытого ключа.
Распространенные криптографические атаки на блокчейн-сети
Понимание того, как можно атаковать криптографию блокчейна, так же важно, как и понимание того, как она работает. Безопасность — это не свойство, существующее изолированно; она определяется относительно атак, которым она должна противостоять.
Атаки грубой силы
Атака методом перебора пытается угадать пароль, закрытый ключ или хеш-прообраз, систематически перебирая все возможные значения, пока не будет найдено правильное. Для современных криптографических ключей перебор вычислительно нецелесообразен: 256-битный закрытый ключ имеет больше возможных значений, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Перебор даже одного закрытого ключа Биткоина занял бы больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, при использовании всех вычислительных мощностей Земли.
Однако атаки методом перебора остаются актуальными против слабых паролей, используемых для шифрования хранимых закрытых ключей. Злоумышленник, получивший зашифрованный файл хранилища ключей, может перебирать распространенные пароли и словарные слова на высокой скорости, используя графические процессоры. Защита использует длинные, случайно сгенерированные кодовые фразы и ресурсоемкие алгоритмы хеширования паролей, такие как Argon2 или scrypt, которые значительно увеличивают стоимость каждой попытки подбора.
Атаки «человек посередине» (MitM)
Атака типа «человек посередине» (MitM) происходит, когда злоумышленник тайно перехватывает и потенциально изменяет сообщения между двумя сторонами, которые считают, что общаются напрямую друг с другом. В контексте блокчейна атака MitM может позволить злоумышленнику перехватить транзакцию до ее трансляции, заменить адрес получателя на другой и передать измененную транзакцию в сеть.
Присоединяйтесь к UEEx
Познакомьтесь с ведущей в мире платформой цифрового управления капиталом
Защита от атак типа «человек посередине» (MitM) в блокчейне включает в себя сквозное шифрование обмена данными между узлами, цифровые подписи на всех транзакциях (любое изменение делает подпись недействительной) и использование аппаратных кошельков, отображающих адрес получателя на защищенном экране, чтобы пользователи могли проверить его перед подписанием. Пользователям также следует проверять адреса получателей по нескольким каналам, прежде чем отправлять значительные суммы, особенно при первой транзакции с новым контрагентом.
Повторите Атаки
Атака повторного воспроизведения происходит, когда действительная подписанная транзакция мошенническим образом повторяется или копируется. В блокчейне это чаще всего происходит во время хардфорков. Когда блокчейн разделяется на две цепочки (как это произошло с Ethereum и Ethereum Classic в 2016 году, а также с Bitcoin и Bitcoin Cash в 2017 году), транзакции, действительные в одной цепочке, могут быть действительны и в другой, поскольку обе цепочки имеют общую историю транзакций. Злоумышленник, наблюдающий за транзакцией в одной цепочке, потенциально может воспроизвести её в другой цепочке.
Решение заключается в защите от повторного воспроизведения, реализуемой путем включения в каждую транзакцию идентификатора, специфичного для одной цепочки, так что транзакция, подписанная для одной цепочки, криптографически недействительна для любой другой цепочки. Грамотно управляемые хардфорки реализуют защиту от повторного воспроизведения как обязательную функцию нового сетевого протокола.
Сибил атакует
Атака Сибиллы предполагает создание большого количества поддельных идентификаторов (узлов) для получения непропорционального влияния в одноранговой сети. Термин происходит от книги о человеке с диагнозом диссоциативного расстройства идентичности. В блокчейне злоумышленник, использующий атаку Сибиллы, создает множество узлов, которые выглядят как независимые участники, но на самом деле контролируются одной и той же организацией. Эти поддельные узлы могут использоваться для изоляции легитимных узлов от остальной части сети (атака «Затмение»), манипулирования сетевым трафиком, цензурирования определенных транзакций или искажения механизмов голосования в системах управления.
Механизмы консенсуса Proof of Work и Proof of Stake специально разработаны для смягчения атак Сибиллы, поскольку их влияние пропорционально ограниченному ресурсу (вычислительной мощности или вложенному капиталу), а не количеству идентификационных данных. Создание миллиона поддельных идентификаторов узлов не дает дополнительного влияния в сети Proof of Work, если эти поддельные узлы в совокупности не увеличивают хешрейт.
51% Атаки
Атака 51% происходит, когда одна организация или скоординированная группа получает контроль над более чем половиной общей хешрейта сети блокчейн (в алгоритме Proof of Work) или застейканного капитала (в алгоритме Proof of Stake). Такой уровень контроля позволяет злоумышленнику доминировать в процессе создания блоков и потенциально манипулировать блокчейном.
Обладая контрольным пакетом, злоумышленник может перестраивать недавние блоки, чтобы отменить ранее подтвержденные транзакции, что позволяет совершать двойные траты: оплачивать товары или услуги транзакцией, которая впоследствии удаляется из блокчейна. Он также может блокировать подтверждение определенных транзакций, фактически подвергая цензуре конкретные адреса. Однако, даже имея 51% контроля, он не может красть средства из кошельков, которые он не контролирует, создавать монеты из ничего или изменять транзакции, подтвержденные до начала атаки.
Для крупных, хорошо зарекомендовавших себя сетей, таких как Bitcoin, атака 51% потребует десятков миллиардов долларов на специализированное оборудование и электроэнергию, а сама атака уничтожит ценность атакуемой сети. Более мелкие блокчейн-сети с более низкими суммарными хешрейтами действительно уязвимы, и несколько из них уже были успешно атакованы, включая Ethereum Classic в 2019 и 2020 годах.
Атаки с удлинением длины
Атака с расширением длины использует математическое свойство некоторых хеш-функций (включая SHA-256 при наивном использовании), которое позволяет злоумышленнику, знающему результат хеша, вычислить хеш более длинного сообщения, начинающегося с исходного входного значения, не зная самого исходного входного значения. Это может быть использовано в приложениях, использующих хеши в качестве кодов аутентификации сообщений, путем создания поддельных сообщений, которые генерируют действительные хеши.
Протокол Биткойна защищает от этого, используя двойной SHA256 (хеширование результата SHA-256 с помощью SHA-256 еще раз) для хешей блоков и используя конструкции HMAC (хеш-коды аутентификации сообщений) вместо обычных хеш-функций там, где требуется аутентификация сообщений. Разработчики, создающие приложения на основе блокчейн-систем, должны знать об этой уязвимости и использовать в своих приложениях специализированные HMAC или современные хеш-функции, такие как SHA-3 (который по своей природе не уязвим для увеличения длины).
Реальные масштабы недавних инцидентов, связанных с безопасностью блокчейна:
Взлом биржи Bybit в феврале 2025 года привёл к краже примерно 499 000 Ether через взломанный кошелёк с мультиподписью, что повлекло за собой убытки в размере около 1.5 миллиарда долларов. Взлом Ronin Bridge в марте 2022 года обошёлся в 625 миллионов долларов. Атака на систему мгновенных займов Euler Finance в марте 2023 года стоила примерно 197 миллионов долларов. Эти инциденты не были следствием сбоев в основной криптографии блокчейна; они стали результатом компрометации операционной безопасности, уязвимостей смарт-контрактов и атак социальной инженерии на держателей ключей. Основные криптографические примитивы, такие как SHA-256 и ECDSA, остаются невзломанными.
Взаимосвязь между криптографией и механизмами консенсуса
Криптография и механизмы консенсуса — это два фундаментальных столпа безопасности блокчейна, и они тесно взаимосвязаны. Механизмы консенсуса устанавливают правила, в соответствии с которыми все участники сети соглашаются на единую версию истории транзакций. Криптография предоставляет инструменты, которые делают эти правила выполнимыми и проверяемыми.
В системах с доказательством работы (PoW), таких как Биткойн, процесс консенсуса представляет собой криптографическую головоломку. Майнеры должны многократно хешировать данные заголовка блока (изменяя только поле nonce), пока не найдут результат хеширования, который окажется ниже текущего целевого порога, то есть хеш должен начинаться с требуемого количества ведущих нулей. Поскольку хеш-функции выдают непредсказуемые результаты, единственный способ найти действительный nonce — это перебрать миллиарды вариантов. Эти вычислительные затраты составляют «работу» в Proof of Work, и именно они делают экономически нецелесообразным переписывание истории.
В системах Proof of Stake (PoS), таких как Ethereum, цифровые подписи являются основным криптографическим инструментом для достижения консенсуса. Валидаторы подписывают свои голоса по предлагаемым блокам своими закрытыми ключами, создавая проверяемую, неопровержимую запись об участии каждого валидатора. Условия штрафования используют криптографические доказательства для обнаружения и наказания валидаторов, подписывающих конфликтующие блоки (эквивалентность), гарантируя, что нечестное поведение приводит к автоматической конфискации залогового обеспечения валидатора.
Обе системы полностью зависят от криптографических примитивов для своего функционирования. Если убрать хеш-функции, цифровые подписи или пары ключей, то механизм консенсуса не будет иметь никакой криптографической основы, на которой можно было бы строиться.
Доказательства с нулевым разглашением: криптография для блокчейна, обеспечивающая конфиденциальность.
Доказательства с нулевым разглашением (ZKP) — это одна из самых мощных и быстро развивающихся областей прикладной криптографии для блокчейна. Доказательство с нулевым разглашением — это криптографический метод, с помощью которого одна сторона (доказывающая) может убедить другую сторону (проверяющую) в истинности утверждения, не раскрывая никакой информации, кроме истинности самого утверждения.
Классический пример — подтверждение знания пароля без его фактического раскрытия. В блокчейне ZKP позволяют отправителю транзакции доказать наличие достаточных средств для осуществления платежа, не раскрывая при этом свой фактический баланс. Они позволяют пользователю подтвердить соответствие требованиям KYC без предоставления личных документов. Они позволяют проверять правильность выполнения сложных вычислений без необходимости повторного выполнения вычислений проверяющим.
Две основные группы систем ZKP продемонстрировали значительное распространение технологии блокчейн:
ZK-SNARKs Zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge) — это очень компактные доказательства, которые быстро проверяются. Впервые они были разработаны в Zcash для частных транзакций и сейчас широко используются в решениях масштабирования второго уровня Ethereum, включая zkSync Era и Polygon zkEVM. Основное ограничение заключается в том, что ранние конструкции zk-SNARK требовали проведения процедуры доверенной установки, что создавало небольшую теоретическую уязвимость в случае компрометации этой процедуры.
zk-STARK Доказательства с нулевым разглашением (Zero-Knowledge Scalable Transparent Arguments of Knowledge) — более новая технология, не требующая доверенной настройки и основанная исключительно на хэш-функциях для обеспечения безопасности, что делает её устойчивой к постквантовым атакам. Платформа Starknet от StarkWare использует STARK в качестве основы своей сети Ethereum второго уровня. Компромисс заключается в том, что доказательства STARK больше, чем доказательства SNARK, что требует большей пропускной способности и места для хранения на каждое доказательство.
Доказательства с нулевым разглашением представляют собой передовой рубеж криптографических инноваций в блокчейне, позволяя создавать новое поколение частных, масштабируемых и соответствующих нормативным требованиям приложений, которые были бы невозможны при использовании одних только более ранних криптографических инструментов.
Угроза квантовых вычислений и постквантовая криптография
Наиболее значимая долгосрочная задача, стоящая перед криптографией в блокчейне, — это потенциальное развитие криптографически значимых квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для выполнения определенных типов вычислений экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры. Два квантовых алгоритма особенно актуальны для криптографии блокчейна.
Алгоритм Шора
Алгоритм Шора, разработанный в 1994 году, позволяет решать математические задачи (разложение на простые множители и дискретный логарифм), лежащие в основе безопасности RSA и эллиптической криптографии, за полиномиальное время на достаточно мощном квантовом компьютере. Это означает, что квантовый компьютер, работающий с алгоритмом Шора, теоретически может получить закрытый ключ из открытого ключа или подделать цифровые подписи, полностью нарушив гарантии безопасности ECDSA и RSA.
Это самая серьёзная квантовая угроза для блокчейна, поскольку она напрямую атакует механизм авторизации транзакций. Каждый блокчейн, использующий подписи ECDSA или RSA, включая Bitcoin и Ethereum, будет уязвим для достаточно мощного квантового компьютера, работающего на основе алгоритма Шора. По оценкам экспертов, вероятность появления криптографически значимого квантового компьютера (CRQC), способного взломать 256-битную ECC, превышает 50% к концу 2030-х годов, а согласно анализу Моски и Пиани 2024 года, значительная вероятность может возникнуть уже в середине 2030-х годов.
Алгоритм Гровера
Алгоритм Гровера обеспечивает квадратичное ускорение для задач перебора. Для хеш-функции с n-битной защитой алгоритм Гровера фактически снижает уровень защиты примерно до n/2 бит против квантового злоумышленника. Это означает, что SHA-256 обеспечит приблизительно 128 бит квантовой защиты вместо 256 бит. Хотя это существенное снижение, 128-битная защита по-прежнему считается вычислительно невыполнимой: в настоящее время эксперты сходятся во мнении, что SHA-256 и SHA-3 остаются безопасными против известных квантовых методов, а SHA-384 или SHA-512 обеспечивают значительный дополнительный запас для приложений с наивысшим уровнем защиты.
Стандарты постквантовой криптографии NIST
Криптографическое сообщество готовилось к квантовой угрозе годами. В августе 2024 года NIST завершил разработку первых трех стандартов постквантовой криптографии (PQC), закончив процесс, начавшийся с открытого международного конкурса в 2016 году:
FIPS 203 (ML-KEM, на основе CRYSTALS-Kyber): Ключевой механизм инкапсуляции для установления общих секретов. Его безопасность основана на сложности задач в модульных решетках, которые считаются устойчивыми как к классическим, так и к квантовым атакам.
FIPS 204 (ML-DSA, на основе CRYSTALS-Dilithium): Алгоритм цифровой подписи, наиболее прямая постквантовая замена ECDSA в приложениях блокчейна. Также основан на задачах модульных решеток.
FIPS 205 (SLH-DSA, на основе SPHINCS+): Схема цифровой подписи на основе хеширования без сохранения состояния, безопасность которой полностью основана на устойчивости хеш-функций к коллизиям, без необходимости использования криптографии с открытым ключом. Это делает её наиболее консервативным постквантовым вариантом, поскольку её предположения о безопасности лучше всего изучены.
В соответствии с графиком перехода, опубликованным в документе NIST IR 8547, алгоритмы, уязвимые для квантовых вычислений (RSA, ECDSA, ECDH), планируется исключить из стандартов NIST к 2035 году. Ожидается, что системы высокого риска перейдут на новые стандарты гораздо раньше. NIST рекомендует организациям начать применять эти стандарты уже сейчас, чтобы перевести свои системы на новые стандарты до истечения установленного срока.
Проблемы миграции на блокчейн
Переход блокчейн-сетей на постквантовые криптографические алгоритмы — это не просто обновление программного обеспечения. Он включает в себя замену фундаментальной криптографии на уровне протокола, которая требует консенсуса сообщества и скоординированного хардфорка, что сопряжено со значительным риском разделения цепочек. Постквантовые схемы подписи также требуют больших размеров подписей, чем существующие подписи ECDSA: подписи Dilithium2 составляют приблизительно 2,420 байт, по сравнению с примерно 72 байтами для подписи ECDSA. Это увеличивает размеры блоков, требования к пропускной способности и затраты на хранение.
Виталик Бутерин публично изложил план действий на случай внезапного квантового прорыва в Ethereum: хардфорк, который заморозит скомпрометированные адреса и позволит легитимным пользователям перейти на квантово-безопасные кошельки с использованием STARK. Сообщество Bitcoin также обсуждало пути миграции на основе taproot и адаптацию подписи Шнорра как шаги к постквантовой архитектуре. Послание обоих сообществ одинаково: угроза реальна, сроки неопределенны, и подготовка должна начаться уже сейчас.
Криптография в различных типах блокчейн-сетей
Не все блокчейны используют криптографию совершенно одинаково. Тип сети — публичная, частная или консорциумная — определяет, какие криптографические инструменты наиболее важны и как они настроены.
Общественные блокировки
Публичные блокчейны, такие как Bitcoin и Ethereum, открыты для всех. Любой пользователь может создать кошелек, любой узел может участвовать в консенсусе, и любой разработчик может развернуть смарт-контракт. В этой среде вся модель безопасности должна основываться исключительно на криптографических гарантиях, поскольку нет списка доверенных членов и нет центрального органа для разрешения споров. Каждая транзакция должна быть криптографически подписана. Каждый блок должен быть криптографически связан. Каждое утверждение о праве собственности должно быть проверяемо любым узлом без какого-либо привилегированного доступа. Поэтому публичные блокчейны в наибольшей степени используют асимметричную криптографию (для подписания транзакций), хеш-функции (для связывания блоков и майнинга), деревья Меркла (для эффективной проверки) и доказательства с нулевым разглашением (для конфиденциальности и масштабируемости).
Частные и разрешенные блокчейны
В частных блокчейнах (таких как построенные на Hyperledger Fabric или R3 Corda) участие ограничено известными, предварительно одобренными субъектами. Поскольку все участники идентифицированы и согласились с условиями сети, модель доверия меняется. Роль криптографии несколько смещается: меньше внимания уделяется майнингу Proof of Work без разрешений, больше — проверке личности на основе PKI (сертификаты X.509), шифрованию на уровне каналов для обеспечения конфиденциальности данных между подгруппами участников и криптографическим аудиторским следам, которые могут выборочно передаваться регулирующим органам или аудиторам. Симметричное шифрование играет более важную роль в защите данных в состоянии покоя и при передаче внутри сетей с ограниченным доступом.
Блокчейны консорциума
Консорциумные блокчейны занимают промежуточное положение между публичными и частными моделями. Определенный набор организаций совместно управляет сетью, при этом участие требует допуска, но не полной публичности. Примерами являются сети торгового финансирования и межбанковские расчетные системы. Криптографические инструменты в консорциумных блокчейнах обычно сочетают в себе идентификацию на основе сертификатов X.509, характерную для частных сетей, с подмножеством инструментов прозрачности (блоки, связанные хешами, журналы аудита цифровых подписей) из архитектуры публичных блокчейнов.
Будущее криптографии в блокчейне
Криптографическая среда блокчейна стремительно развивается одновременно по нескольким направлениям. Понимание того, куда движется эта область, помогает как разработчикам, так и инвесторам оценить долгосрочную безопасность и жизнеспособность блокчейн-систем.
Гомоморфное шифрование
Гомоморфное шифрование (ГШ) — это особая форма шифрования, позволяющая выполнять вычисления непосредственно над зашифрованными данными, получая зашифрованные результаты, которые после расшифровки совпадают с результатом тех же вычислений над исходным открытым текстом. Это означает, что сеть блокчейн может обрабатывать и проверять транзакции с зашифрованными данными, не позволяя ни одному участнику увидеть фактические значения. Полностью гомоморфное шифрование (КГШ) является активной областью исследований на протяжении десятилетий, но остается вычислительно затратным для практического применения. Частичные и частично гомоморфные схемы уже изучаются в конкретных приложениях блокчейна, в частности, в управлении данными в здравоохранении и обеспечении конфиденциальности финансовых данных.
Пороговые подписи и многосторонние вычисления
Схемы пороговой подписи (TSS) позволяют разделить закрытый ключ между несколькими сторонами таким образом, что для получения действительной подписи необходимо сотрудничество определенного порогового количества сторон (например, 3 из 5). Ни одна из сторон никогда не владеет полным закрытым ключом, что исключает единую точку отказа, которая делает управление индивидуальными ключами таким рискованным. Многосторонние вычисления (MPC) расширяют это, позволяя совместное вычисление криптографических операций несколькими сторонами без того, чтобы какая-либо из сторон узнала закрытые входные данные других. Обе методики все чаще используются в институциональных решениях по хранению и управлении децентрализованными автономными организациями (DAO) для распределения контроля над кошельками с высокой стоимостью.
Подписи на основе решеток и хеш-таблиц
С началом постквантовой миграции схемы подписи на основе решеток и хеширования постепенно заменят ECDSA в инфраструктуре блокчейна. Схемы на основе решеток (CRYSTALS-Dilithium) обеспечивают хороший баланс между размером подписи и вычислительной эффективностью. Схемы на основе хеширования (SPHINCS+) обеспечивают максимальный консерватизм, при этом безопасность полностью основана на устойчивости к коллизиям хеш-функций — наиболее хорошо изученном предположении во всей криптографии. Задача будет заключаться в управлении компромиссами производительности, связанными с большими размерами подписей в переходный период, особенно для высокопроизводительных сетей блокчейна.
Продолжающийся рост приложений с нулевым разглашением информации.
Доказательства с нулевым разглашением будут продолжать расширяться от своих текущих применений в области конфиденциальности транзакций и масштабируемости второго уровня к более широким сферам применения: идентификационные данные на основе ZK, позволяющие пользователям подтверждать соответствие нормативным требованиям без раскрытия личных данных; системы голосования на основе ZK для управления DAO, которые сохраняют тайну индивидуального голосования, позволяя при этом публичную проверку совокупных результатов; и доказательства вычислительной целостности на основе ZK для вывода результатов машинного обучения вне блокчейна, передаваемые в системы проверки в блокчейне.
Заключение
Криптография — это не просто функция технологии блокчейн . Это фундамент, на котором она зиждется. Без симметричного и асимметричного шифрования для защиты конфиденциальности данных и аутентификации личности, без хэш-функций для создания защищенных от подделки отпечатков пальцев, которые связывают блоки и обеспечивают работу механизмов консенсуса, без цифровых подписей для авторизации транзакций и обеспечения неопровержимости, и без деревьев Меркла для эффективной проверки миллионов узлов — блокчейна просто не существовало бы.
Для начинающих ключевое понимание заключается в следующем: блокчейну можно доверять без центрального доверенного лица, поскольку правила обеспечиваются криптографической математикой. Ни один банк не проверяет вашу транзакцию; это делает подпись. Ни один сервер не проверяет ваш баланс; это делает связанный с хешами реестр. Ни один орган не предотвращает подделку; это делают накопленное доказательство работы и лавинный эффект хеш-функции.
По мере развития вычислительных возможностей и превращения квантовых компьютеров во все более конкретную долгосрочную угрозу, криптографические основы блокчейна должны развиваться вместе с ними. Постквантовые стандарты NIST, опубликованные в 2024 году, представляют собой дорожную карту, и сообщество блокчейна уже планирует пути миграции. Переход будет сложным и потребует тщательного управления, но история этой области показывает устойчивую тенденцию к раннему выявлению угроз и разработке математически обоснованных ответных мер до того, как эти угрозы станут оперативной реальностью.
Для понимания криптографии на начальном этапе не требуется освоение математики эллиптических кривых или тонкостей функций сжатия SHA-256. Необходимо усвоить фундаментальные свойства этих инструментов: односторонние функции, которые легко вычислить и которые невозможно обратить вспять, пары ключей, где открытый ключ идентифицирует, а закрытый — авторизует, и криптографические цепочки, где любое изменение в любом месте делает недействительным всё, что находится ниже по цепочке. Обладая этими концепциями, архитектура безопасности любой блокчейн-системы становится понятной и поддающейся оценке сама по себе.
Предупреждение : Данная статья предназначена исключительно для информационных целей и не должна рассматриваться как торговая или инвестиционная рекомендация. Ничто из изложенного здесь не должно рассматриваться как финансовая, юридическая или налоговая консультация. Торговля криптовалютами или инвестирование в них сопряжены со значительным риском финансовых потерь. Всегда проводите тщательную проверку перед принятием каких-либо торговых или инвестиционных решений.
Торговля с подтверждением резервов
UEEx ежемесячно публикует результаты аудита и независимой проверки по каждому котируемому на бирже рынку.
