• Главная
  • Контакты
Подписаться:
  • Twitter
  • Facebook
  • RSS
  • VK
  • PushAll
logo

logo

  • Все
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За сегодня
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За вчера
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За 3 дня
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За неделю
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За месяц
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За год
    • Положительные
    • Отрицательные
  • Сортировка
    • По дате (возр)
    • По дате (убыв)
    • По рейтингу (возр)
    • По рейтингу (убыв)
    • По комментам (возр)
    • По комментам (убыв)
    • По просмотрам (возр)
    • По просмотрам (убыв)
Главная
  • Все
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За сегодня
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За вчера
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За 3 дня
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За неделю
    • Положительные
    • Отрицательные
  • За месяц
    • Положительные
    • Отрицательные
  • Главная
  • «Криптография в блокчейнах»: о хеш-функциях, ключах и цифровых подписях

«Криптография в блокчейнах»: о хеш-функциях, ключах и цифровых подписях +17

24.04.2017 15:00
alinatestova 14 5800 Источник
Разработка под e-commerce*, Криптография*, Информационная безопасность*, Блог компании Bitfury Group
Криптография — это сердце блокчейна, которое обеспечивает работу системы. Архитектура блокчейна предполагает, что доверие между участниками сети базируется на принципах математики и экономики, то есть является формализованным. Криптография также гарантирует безопасность, причем основанную на прозрачности и проверяемости всех операций, а не на традиционном для индустрии ограничении видимости системы (perimeter security).

Различные криптографические техники гарантируют неизменность журнала транзакций блокчейна, решают задачу аутентификации и контролируют доступ к сети и данным в блокчейне в целом. В сегодняшнем материале мы поговорим о хеш-функциях, ключах и цифровых подписях.


/ изображение BTC Keychain CC

Хеш-функции


Хеширование — это процесс преобразования массива входных данных произвольной длины в (выходную) битовую строку фиксированной длины. Например, хеш-функция может принимать строку с любым количеством знаков (одна буква или целое литературное произведение), а на выходе получать строку со строго определенным числом символов (дайджест).

Хеш-функции имеются практически в любом языке программирования. Например, они используются для реализации хеш-таблиц и множеств (HashMap/HashSet в Java, dict и set в Python, Map, Set и объекты в JavaScript и так далее). Отдельная категория хеш-функций — криптографические хеш-функции. К ним предъявляются существенно более строгие требования, чем к функциям, обычно используемым в хеш-таблицах. Поэтому и применяются они в более «серьезных» случаях, например для хранения паролей. Криптографические хеш-функции вырабатываются и тщательно проверяются исследователями по всему миру.

Поэкспериментировать с хеш-функциями можно, написав простую программу на Python:

import hashlib
def hash_hex(message):
    return hashlib.sha256(message.encode()).hexdigest()

Функция hash_hex() рассчитывает представление хеша в шестнадцатеричной записи для строки. В приведенном примере используется функция SHA-256 — та же, что и в биткойне.

Хорошая хеш-функция обеспечивает защиту от коллизий (невозможно получить два одинаковых хеша при разных начальных данных) и обладает так называемым эффектом лавины, когда малейшее изменение входных данных значительно преобразует выходное значение. Эффект лавины в хеш-функции SHA-256 выглядит следующим образом:

>>> hash_hex('Blockchain')
'625da44e4eaf58d61cf048d168aa6f5e492dea166d8bb54ec06c30de07db57e1'
>>> hash_hex('blockchain')
'ef7797e13d3a75526946a3bcf00daec9fc9c9c4d51ddc7cc5df888f74dd434d1'
>>> hash_hex('Bl0ckchain')
'511429398e2213603f4e5dd3fff1f989447c52162b0e0a28fe049288359220fc'

Хеш-функции в блокчейнах гарантируют «необратимость» всей цепочки транзакций. Дело в том, что каждый новый блок транзакций ссылается на хеш предыдущего блока в реестре. Хеш самого блока зависит от всех транзакций в блоке, но вместо того, чтобы последовательно передавать транзакции хеш-функции, они собираются в одно хеш-значение при помощи двоичного дерева с хешами (дерево Меркла). Таким образом, хеши используются как замена указателям в обычных структурах данных: связанных списках и двоичных деревьях.

За счет использования хешей общее состояние блокчейна — все когда-либо выполненные транзакции и их последовательность — можно выразить одним-единственным числом: хешем самого нового блока. Поэтому свойство неизменности хеша одного блока гарантирует неизменность всего блокчейна.


Ниже приведена рекурсивная реализация дерева Меркла, используемая в биткойне, на языке Python (по ссылке вы найдете примеры работы). На вход функции подается список хешей транзакций. На каждом этапе вычисления последовательные пары хешей склеиваются при помощи хеш-функции; если хешей нечетное число, то последний дублируется. В результате остается единственный хеш, который и является конечным хеш-значением для всего списка.

import hashlib
    
def merkle_root(lst):
    # Биткойн использует для склеивания хешей два прогона SHA-256 и изменение 
    # порядка байтов. Зачем, не до конца понятно.
    sha256d = lambda x: hashlib.sha256(hashlib.sha256(x).digest()).digest()
    hash_pair = lambda x, y: sha256d(x[::-1] + y[::-1])[::-1]

    if len(lst) == 1: return lst[0]
    
    # Дублирование элементов в дереве приводит к интересной уязвимости -
    # получается, что различные списки транзакций могут иметь один и тот же хеш.
    # По этой причине в биткойне даже есть специальный комментарий,
    # предостерегающий разработчиков новых криптовалют:
    # https://github.com/bitcoin/bitcoin/blob/master/src/consensus/merkle.cpp#L9
    if len(lst) % 2 == 1:
        lst.append(lst[-1])
    return merkle_root([ hash_pair(x, y) 
        for x, y in zip(*[iter(lst)] * 2) ])

Хеш-деревья имеют много применений помимо блокчейнов. Они используются в файловых системах для проверки целостности файлов, распределенных БД для быстрой синхронизации копий и в управлении ключами для надежного журналирования выдачи сертификатов. Git использует обобщение хеш-деревьев — направленные ациклические графы на основе хешей. В блокчейне использование хеш-деревьев продиктовано соображениями производительности, так как они делают возможным существование «легких клиентов», которые обрабатывают лишь малую часть транзакций из блокчейна.

Цифровые подписи


Цифровые подписи в блокчейнах базируются на криптографии с открытым ключом. В ней используются два ключа. Первый — закрытый ключ — нужен для формирования цифровых подписей и хранится в секрете. Второй — открытый ключ — используется для проверки электронной подписи. Открытый ключ реально вычислить на основе закрытого ключа, а вот обратное преобразование требует невозможного на практике объема вычислений, сравнимого с брут-форсом.


Существует множество различных схем криптографии с открытым ключом. Две самые популярные из них — это схемы на основе разложения на множители (RSA) и схемы на основе эллиптических кривых. Последние более популярны в блокчейнах из-за меньшего размера ключей и подписей. Например, в биткойне используется стандарт эллиптической криптографии ECDSA вместе с эллиптической кривой secp256k1. В ней закрытый ключ имеет длину 32 байта, открытый — 33 байта, а подпись — около 70 байт.


Общая идея подписей с открытым ключом выглядит следующим образом. Предположим, что Алиса хочет перевести Бобу один биткойн. Для этого она формирует транзакцию, где записывает, откуда его следует брать (указание на предыдущую транзакцию, в которой Алиса получила биткойн от кого-то еще) и кому отправить (открытый ключ Боба). Алиса знает открытый ключ Боба из сторонних источников — Боб может послать его Алисе через мессенджер или даже опубликовать его на сайте.

Затем Алиса подписывает транзакцию, используя свой секретный ключ. Любой узел в биткойн-сети может проверить, что транзакция подписана определенным открытым ключом (аутентификация), с которым до выполнения транзакции был ассоциирован один биткойн (авторизация). Если эти условия выполнены, то переведенный биткойн начинает ассоциироваться с открытым ключом Боба.

Поскольку в блокчейне нет центрального узла, который может авторизовать произвольные транзакции, безопасность системы становится децентрализованной, а вероятность успешного вмешательства в работу блокчейна снижается практически до нуля.

Таким образом, блокчейн использует цифровые подписи для аутентификации и обеспечения целостности транзакций (и иногда блоков). В случае криптовалюты процесс аутентификации означает, что потратить средства может только тот человек, которому они были посланы другой, более ранней, транзакцией. Особенность блокчейна состоит в том, что информация об аутентификации «вшита» в каждую транзакцию, а не отделена от бизнес-логики, поэтому блокчейн считается более защищенным. В обычной системе можно взломать или административно обойти механизм аутентификации и провести манипуляции с бэкэндом, а в блокчейне сделать этого не получится по определению.



P.S. В наших следующих постах мы планируем затронуть такие моменты, как смарт-контракты и алгоритмы консенсуса, а также поговорить о том, что будет означать распространение квантовых компьютеров для блокчейна.

P.P.S. Немного дополнительных источников:

  • Наш англоязычный блог

  • «C чем это едят»: что такое блокчейн
  • Подтверждение доли и доказательство выполнения работы (PoS vs PoW)
  • Смарт-контракты в биткойн-блокчейне
Поделиться с друзьями
-->

Комментарии (14)


  1. grossws
    24.04.2017 22:41
    #10189362

    Хорошая хеш-функция обеспечивает защиту от коллизий (невозможно получить два одинаковых хеша при разных начальных данных)

    Извините, конечно, но это лажа. Хэширование — сжимающее отображение, если взять все битовые последовательности длиной больше размера хэша, то коллизия будет. Хэш-функция для применения в криптографии должна обладать устойчивостью к коллизиям первого и второго рода.


    1. KatbertW
      24.04.2017 23:04
      #10189388

      Стойкость к коллизиям второго рода — это невозможность подобрать два сообщения с одинаковыми хешами. Могу быть не прав, но вроде как это то же самое?


      1. grossws
        24.04.2017 23:51
        #10189438
        +1

        Это не то же самое. Невозможность — это невозможность.


        Перебрав все сообщения длиной размера хэша и плюс одно длиной размер хэша + 1 мы получим гарантированную коллизию. Благодаря парадоксу дней рождения получим её с хорошей вероятностью ещё раньше (2^(n/2)). А устойчивость — это высокая вероятность того, что эта коллизия получается не сильно дешевле, чем перебором (2^(n/2)).


        1. andrewzhuk
          25.04.2017 00:06
          #10189454

          Игра слов из серии «адаптивный дизайн» и «отзывчивый дизайн». В англоязычной википедии требования описываются фразой "it should be difficult to find", в русскоязычной — "должно быть вычислительно невозможно".


          1. grossws
            25.04.2017 00:22
            #10189464

            Но при этом ни одно из выражений не утверждает о невозможности. Вычислительно невозможно != невозможно. Difficult to find != impossible to find.


            1. andrewzhuk
              25.04.2017 00:41
              #10189482
              +1

              Хотел ответить мемом с Дружко, но делать этого я конечно не буду.

              Кажется, есть более прикладные вопросы в этой теме, которые гораздо интереснее игры в точность перевода. Например, применимость на уровне гос. сервисов.


  1. k0sh
    24.04.2017 23:08
    #10189394

    Спасибо за статью. Как продавцы за биткоины понимают что именно я заплатил за товар?


    1. KatbertW
      24.04.2017 23:42
      #10189430
      +3

      По подписи и публичному ключу скрипта. Ключ подтверждает, что создатель транзакции имеет право распоряжаться указанной суммой. Подпись же, объединённая с публичным ключом, подтверждает, что транзакция была действительно создана владельцем указанного биткойн-адреса. Подробнее тут


    1. Gorthauer87
      25.04.2017 15:10
      #10190436
      +1

      Для этого можно использовать multisig транзакции, стороны создают специальный адрес, который состоит из публичных ключей сторон, которые участвуют в сделке, потом они отправляют транзакцию на этот адрес в качестве залога, дальше стороны формирую транзакцию, которая использует средства из залога. Эта транзакция исполняется только если обе подписи за нее будут получены.
      Таким образом стороны так или иначе должны договориться о чем-то иначе они потеряют залог.


  1. pansa
    25.04.2017 00:00
    #10189448
    -4

    Очередная статья про блокчейн в стиле «как нарисовать сову».
    В одну руку берем хэш. В другую руку берем ассиметричное шифрование… вжууух! Смотрите, какой крутой блокчейн получился, он может то-то и то-то!


  1. rule
    25.04.2017 05:30
    #10189554
    +1

    Хорошо написано, продолжайте пожалуйста.


  1. haiflive
    25.04.2017 07:21
    #10189578

    а можно немного разъяснить, Алиса передала часть суммы со своего кошелька Бобу, оба использовали свой открытый ключ, что мешает Бобу создать новую транзакцию Алисы и опустошить кошелёк Алисы? Как это регулируется в биткоин?


    1. alinatestova
      25.04.2017 09:18
      #10189680

      Есть механизм подтверждения майнерами. Он позволяет выявить несоответствия. Об этом речь пойдет в следующем материале — расскажем более подробно, не переключайтесь :)


    1. QDeathNick
      29.04.2017 01:40
      #10197066

      Для создания транзакции нужен закрытый ключ. Боб его не знает после первой транзакции.

МЕТКИ

  • Хабы
  • Теги

Разработка под e-commerce

Криптография

Информационная безопасность

Блог компании Bitfury Group

криптография

bitfury

СЕРВИСЫ
  • logo

    CloudLogs.ru - Облачное логирование

    • Храните логи вашего сервиса или приложения в облаке. Удобно просматривайте и анализируйте их.
Все публикации автора
  • Bitfury Group провела 1-ю транзакцию в Lightning Network c использованием биткойн-протокола +14

    • 21.07.2017 12:41

    «Ультимативный» блокчейн-дайджест: полезные материалы на Хабре и другие источники по теме +14

    • 18.07.2017 05:31

    «Ваш следующий шаг к блокчейну»: релиз платформы Exonum от Bitfury Group +18

    • 17.07.2017 06:50

    Рынок систем детекции и распознавания: Эмоции и «эмоциональные вычисления» +11

    • 07.07.2017 08:45

    Bitfury Group провела первую успешную multi-hop-транзакцию в сети Lightning Network +14

    • 04.07.2017 15:40

    Как запустить надстройку над биткойн-блокчейном +16

    • 20.06.2017 08:14

    Как масштабировать биткойн-блокчейн +14

    • 13.06.2017 07:18

    Что такое эксклюзивные блокчейны +8

    • 08.06.2017 07:26

    Иное применение блокчейнов: Смарт-контракты +14

    • 06.06.2017 10:12

    Подкаст «Правила игры»: бухгалтерские тонкости для технологического (и другого) бизнеса +10

    • 11.05.2017 10:01

Подписка


ЛУЧШЕЕ

  • Сегодня
  • Вчера
  • Позавчера
07:47

Возвращение легенды. Второе дыхание списанного IBM ThinkPad T40 +42

09:01

Дорожная карта Java backend-разработчика: c Junior до Middle +35

07:00

Пять нестандартных мини-ПК: от складной клавиатуры с экраном до ПК-стика с N150 +34

07:00

Из котельной — в Ад: Doom на ПЛК +33

07:05

Как ИИ помогает лже-риелторам врать эффективнее +30

13:01

Китайские CPU и GPU почти догнали TSMC +27

08:14

Chonkie: революция в RAG-чанкинге — скорость, лёгкость, удобство +23

13:07

Топ-10 лучших бесплатных нейросетей, которые сильно упростят вашу жизнь +22

09:08

130+ датасетов для машинного обучения: гид, который сэкономит часы поиска нужных данных +22

12:19

Началось: Роскомнадзор приступил к проверкам и начал рассылать предпринимателям первые требования по новому закону +21

10:42

Исследование кремниевых кристаллов процессора Intel 386 +20

08:05

ЕС1851: стресс-тест процессора Intel 80386SX-16 в XXI веке +20

07:26

Как я искал работу бэкенд разработчика с одним годом опыта. Мысли, эмоции, статистика +20

08:00

Как сокращение полных путей файлов в логах влияет на производительность и размер Браузера +19

18:31

Правки, конфликты, редактура, релиз. Один рабочий день технического писателя Феди +18

13:30

Возвращение Ubuntu Touch: как обновление дало вторую жизнь мобильной ОС +16

05:54

Все лгут: почему не стоит слепо доверять данным в Prometheus и что важно учитывать при их интерпретации +16

07:32

Вся фантастика и фентези — про людей +14

11:19

Как мы обеспечили +33% к точности на сложных SQL-запросах +13

07:27

Слёзы, баги и C++: как Isaac стал легендарной игрой +13

14:17

Патчим Chrome для работы с YouTube +174

10:11

По итогам Chaos Constructions'2025 +67

13:05

DigiPi: универсальный цифровой модем радиолюбителя +47

09:01

Мой список вопросов о CSS для собеседования в 2025 году +41

10:00

Как я горел от 3D-печати +40

08:03

Как я сделал робота — что хотел и что получилось. Часть 2 +38

13:01

Безопасность VDS: чек-лист по базовой защите +32

20:12

Цвет настроения синий — история BSOD и палитра экранов смерти +24

09:47

QEMU: как организовать прозрачное взаимодействие с I2C-устройствами +23

09:23

Когда файл — это тайник: как скрывают данные в изображениях, DNS-запросах и эмодзи +23

08:11

Шесть способов учиться новому максимально быстро и эффективно +23

08:05

Эволюция языков программирования +21

09:01

В поисках идеального стека для Enterprise проектов: почему Java плюс MACH +19

08:39

Какие пасхалки скрывают платы наших устройств +19

13:31

3 скрипта для диагностики Вашего Linux-сервера +18

10:08

std::simd: шаблоны векторизации без intrinsics в C++ +16

14:18

Мой лог — моя крепость: Как один файл наводит порядок в работе +15

12:38

Как я свой макропад за 600₽ собирал +15

18:34

Плагины на C# без рантайма: NativeAOT-экспорт и вызов из Rust/Python +14

14:24

Руководство по Rust для посредственного программиста +14

ОБСУЖДАЕМОЕ

  • Патчим Chrome для работы с YouTube +174

    • 91   60000

    Мой список вопросов о CSS для собеседования в 2025 году +41

    • 62   7900

    Началось: Роскомнадзор приступил к проверкам и начал рассылать предпринимателям первые требования по новому закону +21

    • 56   21000

    Как я научил Telegram-бота говорить о постах ДПС в реальном времени -7

    • 54   8700

    По итогам Chaos Constructions'2025 +67

    • 42   2400

    Как я горел от 3D-печати +40

    • 41   17000

    Все жалуются на сезонность, а я просто меняю вывеску и делаю 20 млн в год -1

    • 37   67000

    Возвращение легенды. Второе дыхание списанного IBM ThinkPad T40 +42

    • 31   7100

    В поисках идеального стека для Enterprise проектов: почему Java плюс MACH +19

    • 26   1900

    «Я есть Ты: Диалог об Истине, которая всегда была одна» -16

    • 25   10000

    Вся фантастика и фентези — про людей +14

    • 22   5700

    ArchiMate+BPMN: апгрейд роли «бизнес-аналитик» +2

    • 22   3000

    Какие пасхалки скрывают платы наших устройств +19

    • 22   16000

    Как ИИ помогает лже-риелторам врать эффективнее +30

    • 21   4800

    3 скрипта для диагностики Вашего Linux-сервера +18

    • 20   7200
  • Главная
  • Контакты
© 2025. Все публикации принадлежат авторам.