Криптография 101: ключ к разработке блокчейна для начинающих

от

Самые главные криптоновости в Телеграм-канале CryptoMoon, присоединяйтесь!👇

Cryptomoon Telegram

Криптография 101: ключ к разработке блокчейна для начинающих

 Введение

Обзор криптографии

В этом тексте представлен обзор роли криптографии в технологии блокчейн и обсуждаются различные связанные с ней темы. Текст начинается с объяснения того, что криптография необходима для защиты данных и поддержания доверия к приложениям блокчейна. Затем он охватывает несколько важных аспектов реализации эффективных криптографических решений, таких как использование надежных алгоритмов шифрования, сквозное шифрование и временные метки для предотвращения атак повторного воспроизведения.

В нашем современном цифровом мире, где много опасностей, криптография служит защитным барьером. Это искусство защиты связи, обеспечивающее доступ к конфиденциальным данным только уполномоченным лицам. Исторически криптография включала преобразование сообщений в нераспознаваемую форму для передачи, а затем декодирование их обратно в читаемый текст на принимающей стороне.

Современная криптография добилась значительных успехов, гармонично интегрируя информатику и математику. Сложные алгоритмы решают сложные проблемы, что делает их чрезвычайно трудными для расшифровки. Хотя теоретически они разрешимы, их невозможно взломать в разумные сроки. Эта надежность жизненно важна для защиты конфиденциальных данных, обеспечения конфиденциальности и проверки личности.

Криптография в технологии блокчейн 

В сфере технологии блокчейна криптография играет решающую роль. От этого во многом зависит безопасность блокчейн-систем. Его отсутствие будет препятствовать прогрессу инноваций в блокчейне. Вот как это работает: криптография служит основой надежных мер безопасности в технологии блокчейн.

  • 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 хеш-функции, которая помогает их проверять и защищать.
    Криптография защищает транзакции между узлами сети, защищая конфиденциальность пользователей и целостность данных. По сути, криптография является основой безопасности блокчейна.

Исторический контекст и эволюция

Краткая история

Известная история об Алисе, Бобе и Еве иллюстрирует общую криптографическую концепцию: Алиса и Боб обмениваются сообщениями, а Ева пытается их перехватить. Этот анекдот подчеркивает исторические основы криптографии, которая изначально была сосредоточена на обеспечении конфиденциальности сообщений. В прошлом криптография в основном заключалась в кодировании сообщений для предотвращения подслушивания и декодировании после получения. Однако современная криптография расширила сферу своей деятельности, включив в себя принципы из различных дисциплин информатики, таких как сложность вычислений, теория информации, теория чисел и комбинаторика.

Влияние на блокчейн

Блокчейны представляют собой децентрализованные платформы, которые ставят безопасность и конфиденциальность превыше всего. В их основе лежит криптография, важнейший компонент технологии блокчейн. Важные прорывы в криптографии, включая хеш-функции, шифрование с открытым ключом, цифровые подписи и доказательство работы, значительно повышают безопасность и подлинность этих систем. Эти инновации служат для защиты и поддержания надежности сетей блокчейнов.

Основные понятия криптографии для разработчиков

Шифрование и дешифрование

Как исследователь в области криптографии, я могу объяснить, что шифрование включает в себя преобразование открытого текста в закодированную форму, называемую зашифрованным текстом. С другой стороны, расшифровка — это процесс декодирования или перевода зашифрованного текста обратно в исходный формат открытого текста. Эти два важных процесса составляют основу систем криптографической безопасности. Исторически эти методы широко применялись военными и другими организациями из-за их беспрецедентной надежности в защите конфиденциальной информации.

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

В области информатики хэш-функции представляют собой широко используемый метод поддержания целостности данных без использования ключей. Эти функции генерируют согласованный вывод фиксированного размера из любых заданных входных данных, которые обычно представляют собой строку, казалось бы, случайных символов. Хэш-функции играют важную роль в технологии блокчейна, где они используются для связывания блоков и обеспечения безопасности и подлинности данных, содержащихся в них.

Основные свойства хеш-функций:

  • Детерминизм: Определенный уникальный ввод всегда имеет один и тот же уникальный хэш.
  • Устойчивость к столкновению. Очень 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:

Хэш-функции, такие как SHA-256 и MD5, играют решающую роль в защите систем блокчейна. Например, Биткойн использует SHA-256 для обеспечения безопасности и подлинности транзакций. Значение хеш-функций заключается в их способности предотвращать несанкционированное изменение данных, снижать требования к пропускной способности и оптимизировать процессы аутентификации данных.

 Цифровые подписи и их важность

Как аналитик цифровых подписей, я бы объяснил, что цифровые подписи служат важнейшим элементом проверки подлинности и обеспечения целостности цифровых транзакций. Используя свой закрытый ключ вместе с транзакционными данными, я генерирую отличительную подпись с использованием назначенного алгоритма. Получатель может затем подтвердить подлинность подписи, используя для проверки мой открытый ключ, тем самым подтверждая легитимность и неизменный статус транзакции.

В контексте технологии блокчейн каждая транзакция аутентифицируется с использованием уникального закрытого ключа отправителя, а затем подтверждается с помощью общедоступного открытого ключа перед записью в цепочке.

Открытые и закрытые ключи: основа безопасности блокчейна

Генерация пары ключей

Проще говоря, для создания пар открытого и закрытого ключей используются криптографические алгоритмы, такие как криптография с эллиптической кривой (ECC), алгоритм цифровой подписи (DSA) и Ривест-Шамир-Адлеман (RSA). ECC часто выбирается потому, что для размера ключа требуется меньше битов. Закрытые ключи необходимо защищать, поскольку они должны оставаться конфиденциальными, а открытые ключи могут распространяться свободно. Устройства, называемые аппаратными модулями безопасности (HSM), помогают защитить секретные ключи, а наличие резервных копий имеет решающее значение для предотвращения потери данных.

Роль в транзакциях

Проще говоря, как частные, так и открытые ключи играют важную роль в защите и подтверждении подлинности транзакций. Закрытый ключ отвечает за создание подписей, а открытый ключ служит для аутентификации этих подписей, тем самым поддерживая целостность каждой транзакции.

Управление кошельком

Как исследователь, я бы описал это так: в сфере технологии блокчейн я обнаружил, что ключи, необходимые для доступа к цифровым активам, надежно хранятся в так называемых кошельках. Эти кошельки могут иметь две различные формы: программные и аппаратные. Первое относится к цифровым кошелькам, установленным на компьютере или мобильном устройстве, а второе — к физическому устройству, созданному специально для этой цели.

  • Горячие кошельки. Это онлайн-кошельки, подключенные к Интернету, например мобильные или веб-кошельки, которые удобны для частых транзакций.
  • Холодные кошельки – это решения для автономного хранения, такие как аппаратные или бумажные кошельки, которые обеспечивают повышенную безопасность при долгосрочном хранении.

Чтобы обеспечить максимальную безопасность вашего кошелька с блокчейном, примите следующие меры: Используйте шифрование высшего уровня, а также сложные пароли и кодовые фразы. Примите протоколы с несколькими подписями, которые требуют нескольких закрытых ключей для утверждения транзакции. Включите двухфакторную аутентификацию (2FA) в качестве дополнительного уровня защиты. Регулярно создавайте резервные копии своих исходных фраз и закрытых ключей в безопасных автономных хранилищах. Выбирайте надежные кошельки, известные своими надежными функциями безопасности. Прежде всего, никогда не раскрывайте свой закрытый ключ; вместо этого защитите его с помощью надежной защиты паролем.

 Алгоритмы консенсуса, использующие криптографию

Доказательство работы (PoW):

В децентрализованной среде под названием Proof of Work (PoW) участники, известные как майнеры, участвуют в соревновании по расшифровке сложных криптографических загадок. После успешного решения этих загадок майнеру предоставляется привилегия добавить последующий блок к устойчивой цепочке данных, называемой блокчейном. Этот удачливый шахтер вознагражден за свои усилия. Процесс включает в себя применение функций хеширования для обеспечения безопасности и целостности блокчейна. Сложность этих загадок гарантирует, что блокчейн останется устойчивым к потенциальным атакам, и регулирует темп включения новых блоков.

Доказательство доли (PoS):

В Proof of Stake (PoS) валидаторы выбираются для создания новых блоков не только из-за количества монет, которыми они обладают, но также с учетом таких факторов, как возраст этих монет и степень случайности. В процессе отбора приоритет отдается валидаторам с наименьшим значением хеш-функции и наибольшей суммой ставки. PoS потребляет меньше энергии по сравнению с доказательством работы (PoW).

«Дополнительные методы достижения консенсуса в распределенных системах включают делегированное доказательство доли (DPoS), где делегаты выбираются путем выборов, а репутация играет роль в проверке транзакций, и практическую византийскую отказоустойчивость (PBFT), используемую для обеспечения согласия в сетях блокчейнов. «

Практическое применение криптографии в разработке блокчейна

Защита 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.
  • Хеш-функции: убедитесь, что данные остались 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 несанкционированный доступ.
  • 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 пользователей. Для беспрепятственного входа в систему вместо традиционных идентификаторов пользователей используется шифрование с открытым ключом.
  • 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 их предотвращения

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 повтора. 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.
  • Использовать цифровые сертификаты. Предотвращает атаки «человек посередине».
  • Используйте сложные ключи. Убедитесь, что ключи непредсказуемы и сложны.
  • Внедрение сквозного шифрования: 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

Как количественный аналитик, я внимательно следил за развитием квантовых вычислений, которые представляют собой значительную угрозу современным методам шифрования, таким как криптография с эллиптическими кривыми (ECC) и RSA. Квантовые компьютеры используют кубиты и передовую механику, которая потенциально может взломать эти алгоритмы шифрования. Чтобы снизить этот риск, исследователи усердно работают над постквантовой криптографией — инновационными алгоритмами, предназначенными для противостояния квантовым атакам. Некоторые многообещающие примеры квантовоустойчивых алгоритмов включают криптографию на основе решетки, хеш-функции и многомерную полиномиальную криптографию.

Развитие криптографических стандартов

Криптографические нормы постоянно адаптируются, чтобы противостоять возникающим угрозам безопасности. Разработчикам крайне важно быть в курсе новых разработок в этой области, чтобы поддерживать эффективную безопасность в своих блокчейн-проектах. Постоянное образование, следование проверенным методологиям и активное участие в криптографическом сообществе являются жизненно важными компонентами создания надежных 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.
  • Надувной замок: набор API-интерфейсов, предоставляющих облегченные 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 

Как исследователь, углубляющийся в тонкости технологии блокчейн, я не могу не подчеркнуть незаменимую роль криптографии в обеспечении доверия, целостности и безопасности в этих приложениях. Осваивая последние достижения и следя за тенденциями в этой области, разработчики могут создавать надежные и надежные децентрализованные приложения. Крайне важно применять лучшие практики и сохранять бдительность в отношении потенциальных уязвимостей, постоянно совершенствуя свой код для усиления мер безопасности.

Часто задаваемые вопросы

What is cryptography in blockchain? 

Проще говоря, методы шифрования, используемые в блокчейне, составляют основу его надежной системы безопасности, защищающей информацию, передаваемую конфиденциально.

How does encryption work in blockchain development? 

Шифрование предполагает преобразование сообщения или данных в закодированную форму, доступную только тем, кто обладает соответствующим ключом декодирования.

What are digital signatures, and what are their use cases in blockchain?

Мерой подлинности является цифровая подпись, которая используется для аутентификации и целостности.

What is the difference between symmetric and asymmetric cryptography in blockchain? 

Симметричный использует один и тот же ключ для шифрования и описания, тогда как асимметричный использует разные ключи.

How are public and private keys managed in blockchain development?

Открытые ключи распространяются открыто, а закрытые ключи хранятся в секрете.

What role does cryptography play in blockchain consensus algorithms?

Принципы шифрования используются в механизмах консенсуса, таких как Pow и PoS.

How can developers protect against cryptographic attacks?

Разработчики могут использовать надежное шифрование и эффективно управлять ключами.

What is the importance of post-quantum cryptography for blockchain?

Это подготавливает блокчейн к будущим потенциальным угрозам.

Смотрите также

2024-07-08 13:38