Исследование роли асимметричного шифрования в транзакциях с блокчейном и криптовалютами

Что такое асимметричное шифрование?

Асимметричное шифрование, также известное как криптография с открытым ключом, представляет собой криптографическую систему, использующую пару математически связанных ключей: открытый ключ и закрытый ключ. В отличие от симметричного шифрования, где один и тот же секретный ключ используется как для шифрования, так и для расшифровки данных, асимметричное шифрование разделяет эти роли. Открытый ключ может свободно распространяться и используется для шифрования данных или проверки цифровой подписи. Соответствующий закрытый ключ хранится в секрете его владельцем и используется для расшифровки данных или создания цифровой подписи. Этот дизайн решает проблему распространения ключа, присущую симметричным системам, позволяя безопасно общаться между сторонами, которые никогда не делились секретом заранее.

Математическая связь между парой ключей гарантирует, что, хотя открытый ключ может быть получен из частного ключа в некоторых алгоритмах, обратное вычислительно неосуществимо. Большинство современных систем асимметричного шифрования полагаются на жесткость таких проблем, как целочисленная факторизация (RSA) или дискретная проблема логарифма в группах эллиптических кривых (Elliptic Curve Cryptography, ECC). Например, Биткойн и Эфириум используют ECC с кривой secp256k1, которая обеспечивает сильную безопасность с относительно небольшими размерами ключей. Асимметричное шифрование формирует основу для цифровых подписей, протоколов обмена ключами, таких как Diffie-Hellman, и защищенных коммуникаций уровня сокетов.

Почему асимметричное шифрование имеет решающее значение для блокчейна

Технология блокчейна не была бы жизнеспособной без асимметричного шифрования. Каждая транзакция в сети блокчейна защищена цифровой подписью, созданной с помощью закрытого ключа отправителя. Когда пользователь транслирует транзакцию в сеть, данные транзакции — включая адрес получателя, сумму и другие метаданные — хешируются, а затем подписываются. Получающаяся подпись добавляется к транзакции. Сетевые узлы, такие как майнеры в системе доказательства работы или валидаторы в доказательстве доли, получают транзакцию и проверяют подпись с помощью открытого ключа отправителя, который получен из адреса отправителя. Этот процесс проверки гарантирует, что только владелец закрытого ключа мог создать транзакцию, не раскрывая приватный ключ кому-либо.

Кроме того, асимметричное шифрование обеспечивает неотказ. После подписания транзакции и включения в блок отправитель не может впоследствии утверждать, что он не авторизовал ее. Цифровая подпись служит криптографическим доказательством намерения. Это свойство имеет важное значение для поддержания доверия в децентрализованной среде, где ни один центральный орган не может разрешать споры. Без асимметричного шифрования любой может претендовать на то, чтобы быть кем-то другим, и реестр быстро потеряет свою целостность.

Транзакционный поток в деталях

Давайте пройдемся по типичной криптовалютной транзакции, чтобы увидеть асимметричное шифрование в действии. Предположим, Алиса хочет отправить 1 BTC Бобу. Кошелек Алисы строит транзакцию, которая ссылается на свои предыдущие неизрасходованные выходы транзакций (UTXO) в качестве входов и указывает публичный адрес Боба в качестве вывода. Затем кошелек создает подпись, применяя свой закрытый ключ к хэшу данных транзакции. Она транслирует подписанную транзакцию в сеть Биткойн.

Майнеры получают транзакцию и проверяют подпись на открытый ключ, который соответствует адресу Алисы. Они также проверяют, что приватный ключ Алисы действительно контролирует UTXO, которые она пытается потратить. Если подпись действительна и все другие правила консенсуса соблюдены, майнеры включают транзакцию в блок. Когда блок подтвержден, реестр отражает, что Боб теперь контролирует вновь созданные UTXO. На протяжении всего этого процесса приватный ключ никогда не покидает кошелек Алисы; одна только подпись доказывает владение. Вот почему потеря приватного ключа означает постоянную потерю доступа к связанным фондам — в истинном блокчейне нет механизма сброса пароля.

Цифровые подписи: рабочая лошадка доверия

Цифровые подписи — это практическое применение асимметричного шифрования, которое делает транзакции блокчейна надежными. Алгоритм цифровой подписи обычно включает в себя три операции: генерация ключа (производство пары ключей), подписание (создание подписи из сообщения и закрытого ключа) и верификацию (проверка подписи против сообщения и открытого ключа). В биткойне используется алгоритм цифровой подписи с эллиптической кривой (ECDSA), в то время как Ethereum также использует ECDSA, но с другим процессом восстановления, который позволяет извлекать открытый ключ из подписи.

Сила цифровой подписи заключается в ее математических свойствах. Даже однократное изменение данных транзакции лишает подписи законной силы. Это гарантирует целостность . Более того, поскольку только владелец закрытого ключа может создать действительную подпись, аутентификация гарантируется. Подпись также обеспечивает неотказ , потому что подпись уникальна как для сообщения, так и для приватного ключа подписавшего; подписавший не может утверждать, что подпись была подделана, не утверждая, что их приватный ключ был скомпрометирован (что является отдельным сбоем безопасности).

Криптография эллиптической кривой на практике

Криптография эллиптической кривой предлагает несколько преимуществ по сравнению со старыми алгоритмами, такими как RSA. ECC обеспечивает эквивалентную безопасность с гораздо более короткими длинами ключа — например, 256-битный ключ ECC предлагает сопоставимую безопасность с 3072-битным ключом RSA. Эта эффективность снижает вычислительную нагрузку и размер транзакции, что имеет решающее значение для систем блокчейна, где каждый байт в транзакции потребляет ресурсы сети и хранилища. Кривая secp256k1, стандартизированная Standards for Efficient Cryptography Group, представляет собой кривую Коблица, оптимизированную для производительности. Его уравнение y2 = x3 + 7 по конечному полю позволяет быстро арифметику, и дискретная проблема логарифма на этой кривой считается чрезвычайно сложной. В настоящее время практических атак против правильно реализованной 256-битной ECC не существует, что делает его основой большинства основных криптовалют.

Публичные и частные ключи в криптовалютных кошельках

В криптовалютных системах «кошелек» пользователя — это не физический контейнер, а программный объект, управляющий парами ключей. Частный ключ — большое случайное число (обычно 256 бит для биткоина), которое необходимо держать в секрете. Открытый ключ выводится из него с помощью умножения эллиптической кривой, односторонней функции. Открытый ключ далее хешируется для получения адреса, который выступает в качестве идентификатора для получения средств. Например, в биткоине публичный ключ подвергается хешированию SHA-256, а затем RIPEMD-160, за которым следует кодировка Base58Check для генерации знакомой строки адреса.

Типы кошельков и управление ключами

Недетерминированные кошельки генерируют каждый закрытый ключ самостоятельно, обычно из генератора случайных чисел. Они требуют от пользователей резервного копирования каждого закрытого ключа отдельно, что непрактично для нескольких адресов. Детерминированные кошельки выводят все ключи из одной семенной фразы, как правило, следуя стандарту BIP-32 для иерархических детерминированных (HD) кошельков. 12- или 24-словная мнемоническая фраза может воспроизводить все дерево ключевых пар. Вот почему семенные фразы являются критическими — они являются конечной резервной копией. Если семенная фраза потеряна, все средства потеряны. Если она украдена, злоумышленник может восстановить все закрытые ключи и украсть все. Асимметричное шифрование защищает транзакционный слой, но безопасность самих частных ключей зависит от того, как реализация кошелька защищает семя и ключевой материал.

Аппаратные кошельки, такие как Ledger или Trezor, хранят закрытые ключи в чипе, который никогда не выставляет ключ на подключенный компьютер. Они подписывают транзакции внутри, и только подпись отправляется. Это использует асимметричное шифрование, не позволяя частному ключу коснуться устройства, подключенного к Интернету. Такая физическая изоляция является лучшей практикой для дорогостоящих холдингов.

Преимущества безопасности в глубине

Асимметричное шифрование обеспечивает всеобъемлющую основу безопасности для систем блокчейна. Вот более глубокое изучение каждого свойства безопасности, которое оно предоставляет:

• Конфиденциальность: В то время как транзакции блокчейна обычно являются общедоступными, асимметричное шифрование может использоваться для шифрования данных транзакций или сообщений вне цепочки, чтобы их могли прочитать только предполагаемые получатели.Некоторые криптовалюты, ориентированные на конфиденциальность, такие как Monero, используют вариант асимметричного шифрования, называемый одноразовой кольцевой подписью, чтобы скрыть отправителя, получателя и сумму.
• Подлинность: Каждая транзакция несет цифровую подпись, которая доказывает, что она произошла от владельца закрытого ключа. Это имеет основополагающее значение для предотвращения несанкционированных расходов. Без аутентификации злоумышленник может транслировать транзакции, которые, по-видимому, принадлежат любому пользователю.
• Целостность: Подпись вычисляется по точным данным транзакции. Любая модификация — даже один бит — изменяет хеш и аннулирует подпись. Это делает подделку с подписанной транзакцией немедленно обнаруживаемой любым узлом, который проверяет подпись.
• Неотказ: Поскольку подпись может быть произведена только приватным ключом, подписавший не может впоследствии отрицать, что подписал транзакцию. Это юридически важно: подписанная сделка может использоваться в качестве доказательства в суде, при условии, что управление ключом поддается проверке.

Реальные мировые неудачи

Безопасность асимметричного шифрования так же сильна, как и его реализация и секретность приватных ключей. Несколько громких краж произошли не потому, что были нарушены алгоритмы шифрования, а потому, что приватные ключи были украдены с помощью фишинга, вредоносного ПО или плохого хранения ключей. Mt. Взлом Gox биржи включал в себя кражу приватных ключей из горячих кошельков. Напротив, взлом Sony PlayStation Network использовал слабое шифрование на стороне сервера, но это был другой контекст. Для блокчейна самым слабым звеном часто является человеческий фактор, а не сама криптография.

Приложения за пределами криптовалюты

Роль асимметричного шифрования в блокчейне выходит далеко за рамки цифровых валют. Многие решения на основе блокчейна используют инфраструктуру открытого ключа для управления идентификацией, отслеживания цепочек поставок и безопасного голосования. Например, в системе цепочки поставок производитель может подписать цифровой сертификат подлинности своим закрытым ключом. Любая заинтересованная сторона может проверить сертификат с использованием публичного ключа производителя, гарантируя подлинность происхождения продукта. Системы самосуверенной идентификации позволяют людям контролировать свои собственные идентификационные данные, удерживая приватные ключи, которые разблокируют выборочные раскрытия личной информации. Аналогично, платформы голосования на основе блокчейна используют асимметричное шифрование, чтобы гарантировать, что только зарегистрированные избиратели могут проводить голосования, и что каждый голос подписывается без раскрытия связи идентичности избирателя. Эти приложения демонстрируют, что те же криптографические примитивы, которые обеспечивают транзакции, также обеспечивают доверие к распределенным экосистемам данных.