Блокчейн. Цихилов. Блокчейн (Цихилов). Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей
 Скачать 2.63 Mb.
|
|
созданный на базе общеизвестного алгоритма хеширования? Тогда при получении мы можем еще раз запустить этот же самый алгоритм, подав ему на вход полученные данные, и затем просто сравнить результирующий хеш с тем, который был приложен к передаваемым данным. Если они в точности совпадут, значит, передача прошла без искажений, и мы имеем на руках данные, полностью аналогичные исходным. Таким образом мы проверяем целостность данных. Популярным вариантом использования алгоритма подобной проверки является получение значения так называемой «контрольной суммы», расчет которой базируется на алгоритме хеширования входного блока данных. Рассуждая логически, мы приходим к пониманию, что совершенно невозможно преобразовать большой блок данных в исключительно малый без потерь исходной информации. И это действительно так. Алгоритм хеширования представляет собой одностороннюю математическую функцию, результат действия которой практически невозможно обратить в исходные данные до преобразования. То есть вычислительно из хеша чрезвычайно сложно получить его прообраз. Теоретически это возможно осуществить только последовательным перебором вариантов — при помощи так называемого метода «грубой силы». Этот метод базируется на принципе «зашифруй и сравни»: некие предполагаемые исходные данные хешируются и сравниваются с имеющимся хешем. Если эти два хеша не совпали, значит, данный предполагаемый прообраз нам не подходит. Меняем его и хешируем снова — и так далее до бесконечности, пока хеши вдруг неожиданно не совпадут. Только тогда мы можем говорить о том, что мы «расшифровали хеш», но количество вариантов, которое нам необходимо перебрать, чтобы добиться такого результата, измеряется, без преувеличения, астрономическими величинами. Данный метод, кстати, широко используется для защиты хранимых секретных паролей на различных серверах. Размещать пароли пользователей на интернет-серверах в открытом виде явно небезопасно — их могут похитить злоумышленники и затем попытаться нанести системе и ее участникам материальный ущерб. Но если пароли хранятся не в открытом виде, а в виде хешей, то задача несанкционированного доступа значительно усложняется. Если пароль вводит его владелец, то система хеширует пароль и сравнивает с хранимым хешем пароля для данного пользователя. Если они совпали, значит, пароль введен верный, и система открывает пользователю доступ. Если хеши не совпадают — пароль неправильный. А наличие у злоумышленника украденного хеша пароля задачу ему отнюдь не упрощает, поскольку ему необходимо восстановить исходный пароль методом масштабного перебора вариантов. Понятно, что чем длиннее исходный пароль, тем больше максимально возможных вариантов его перебора. Поэтому для получения исходного пароля необходимо задействовать исключительные вычислительные мощности, что в конечном итоге отражается на общей стоимости атаки, которая может обойтись дороже, чем возможная материальная выгода от подбора конкретного пароля. Еще один популярный способ использования алгоритмов хеширования применяется в так называемых торрент-трекерах. Торренты — это технология обмена файлами, как правило, медийного характера (в подавляющем большинстве — видео). Сама технология имеет гибридную модель, когда торрент-файлы, содержащие техническую информацию, распространяются централизованно через специальные торрент-трекинговые порталы. При этом непосредственный обмен основными файлами происходит децентрализованно, через организацию прямого соединения между «сидерами» — теми, кто отдает файлы, и «личерами» — теми, кто их получает. В силу объема передаваемой по сети интернет информации (а иные видеофайлы могут иметь объем, измеряемый гигабайтами) их передача осуществляется фрагментами. Задача принимающей стороны — связаться с различными отправителями фрагментов одного и того же файла и получить на свое устройство все его части. Конечная цель — собрать в правильном порядке из этих кусочков исходный файл большого объема так, чтобы целостность всех данных не пострадала и медийный проигрыватель не выдал ошибку при попытке запустить файл для просмотра. Одна из основных процедур данной технологии — постоянное сравнение значительных блоков данных с целью контроля их целостности и правильной идентификации их фрагментов. Вот здесь на помощь и приходит функционал хеширования. Именно по хешам как целых файлов, так и их фрагментов осуществляется идентификация соответствия блоков данных именно тем, которые были запрошены. И если все хеши совпадают, значит, в итоге мы гарантированно «склеим» нужный нам файл без ошибок. Поэтому именно технология хеширования позволяет быстро и надежно сравнивать различные блоки данных и гарантировать их целостность при передаче. Наконец, технология хеширования активно используется для ускорения поиска данных. Для этого формируются так называемые «хеш-таблицы», которые содержат хеши различных информационных блоков. Их сортируют в определенном порядке, чтобы при осуществлении поиска можно было быстро найти данные по их хешам, обращаясь сразу в нужный раздел вместо масштабного поиска по всей базе. Теперь рассмотрим вопрос, какие математические и логические операции используются для вычисления хешей. Алгоритмов хеширования достаточно много — от относительно простых до достаточно затейливых. Обычно при создании математической модели алгоритма преследуются цели усложнения задачи обратного восстановления прообраза из хеша и расширения максимально возможного диапазона получаемых из прообраза хешей. Это необходимо для того, чтобы вероятность появления коллизий, то есть получения одинаковых хешей из двух различных прообразов, составила исключительно малую величину. Понятно, что с увеличением разрядности (размера) хеша вероятность появления коллизий экспоненциально уменьшается. Однако в ряде случаев требуется решить задачу для хешей относительно небольших размеров, поскольку это влияет на совокупный объем хранимой информации и, как следствие, на стоимость этого хранения. В качестве примера работы алгоритмов хеширования приведем несколько наиболее популярных процедур, в том числе и тех, которые используются в различных проектах, базирующихся на технологии блокчейн — таких, как, например, Bitcoin (SHA-256) или Ethereum (SHA-3). Данные алгоритмы состоят из определенного количества шагов (итераций), на каждом из которых с данными совершаются какие-либо логические операции из следующего набора. «Конкатенация» (то есть «сцепление» или «склеивание» двух блоков данных, когда второй становится продолжением первого, например, конкатенация «1111» и «2222» дает результат «11112222»). «Сложение» (обычное арифметическое действие для двух и более чисел). «Конъюнкция», или «Логическое И», «AND» (результат этой побитовой операции будет истинным (1), если оба бита являются единицами, в противном случае результат будет ложным (0)). «Дизъюнкция», или «Логическое ИЛИ», «OR» (результат этой операции будет истинным (1), если хотя бы один из аргументов является истинным (1), в противном случае результат будет ложным (0)). «Логическое Исключающее ИЛИ», «XOR» (результат этой операции для двух бит будет истинным (1), только если один из аргументов будет истинным (1), а второй ложным (0), в противном случае результат будет ложным (0)). «Логическое отрицание», «NOT» (побитовая инверсия, результат унарной операции, где результирующий бит всегда будет противоположен по значению входящему биту, то есть единицы становятся нулями и наоборот). «Побитовые сдвиги» (когда значения битов перемещаются в соседние регистры по направлению сдвига, например, для блока «10100110» результатом логического сдвига влево будет «01001100»). Побитовые сдвиги могут быть логическими (когда последний бит по направлению сдвига теряется, а первый становится нулем) и циклическими (когда последний бит по направлению становится на место первого). В приведенном выше примере рассматривается именно логический сдвиг, поскольку результат циклического сдвига влево в данном случае представлял бы из себя результат «01001101». Кроме того, внутри каждой итерации могут применяться наборы вспомогательных констант, закрепленные за каждым из алгоритмов. Эти константы используются в различных операциях, описанных выше. Таким образом, с каждым шагом алгоритма результат все больше отдаляется от исходных данных. Происходит сложное циклическое «перемешивание» данных — возможно, именно поэтому эту процедуру и назвали «хеширование», что в переводе с английского означает «мешанина» и часто относится к блюдам из мелко порубленного мяса или овощей. Ингредиенты подобных блюд, как и результат хеширования, невозможно привести к исходному виду (прообразу). Однако попытки поиска эффективных методов восстановления прообразов для различных хеширующих алгоритмов существовали с самого начала их появления. Для того чтобы представить себе проблематику, связанную с криптостойкостью самых популярных алгоритмов хеширования, оценим рассчитанные показатели многообразия вариантов хешей и вероятностей нахождения коллизий для них. Соотношение между разрядностью (размером) хеша n и числом возможных выходов (вариантов генераций хеша) равно 2 в степени n. Если средняя длина хеша в основных популярных блокчейн-проектах составляет 256 бит, это означает число выходов, равное 2 256 или примерно 1,2 × 10 77 , то есть значению, сопоставимому с оценкой числа атомов в наблюдаемой Вселенной. Однако чтобы найти коллизию, необязательно перебирать все варианты. Существует известный алгоритм атаки — так называемая «атака дней рождения», которая базируется на парадоксе, связанном с решением задачи о вероятности совпадений дней рождения хотя бы у двух человек в группе, состоящей из N людей. Парадокс состоит в том, что оценивается не вероятность того, что у какого-то конкретно выбранного человека в группе с кем-то совпадает день рождения (эта вероятность для небольших групп достаточно мала), а вероятность совпадения дней рождения у любой пары людей из данной группы. А это уже совсем другой порядок вероятности. Например, для группы из 23 людей такая вероятность превышает 50%, а для 60 человек и более вероятность становится больше 99%. С коллизиями в алгоритмах хеширования также можно провести аналогию, но базируясь на гораздо больших числовых значениях. Однако общий смысл от этого не меняется: для того, чтобы найти коллизию с какой-то значимой величиной вероятности, нужно перебрать гораздо меньшее число вариантов, чем максимальное число возможных выходов. Для ключа в 256 бит и вероятности нахождения коллизии в 75% это значение составляет 5,7 × 10 38 , что на 39 порядков меньше максимального математически возможного числа выходов. Как видите, даже подобная существенно меньшая величина вероятности все равно поддерживает сложность задачи перебора вариантов на исключительно высоком вычислительном уровне. Поэтому в блокчейн-технологиях используются алгоритмы хеширования с высокой разрядностью, чтобы защитить хранимые данные от посягательств злоумышленников как минимум до того момента, пока вычислительные мощности не позволят преодолеть эти барьеры сложности. Мы постарались рассмотреть основные моменты, которые необходимо знать о принципах хеширования. К непосредственным применениям этой процедуры мы еще вернемся в специальных разделах книги, посвященных практическим реализациям блокчейн-проектов. ИСТОРИЯ КРИПТОГРАФИИ Рассматривая технологию блокчейн в деталях, совершенно невозможно пройти мимо одного из ее самых важных элементов — криптографической части. Криптография в блокчейн является мощнейшим связующим элементом, на котором базируется основная ценность технологии распределенного реестра в целом. Именно криптография стоит на страже целостности хранения и передачи данных, обеспечивает права владения и защищает активы пользователей системы, в первую очередь — финансовые. Без криптографии технология блокчейн просто не смогла бы существовать — она бы утратила все свои преимущества, и в ее использовании не было бы никакого смысла. Но почему же криптография настолько важна? Давайте попробуем разобраться, что же такое криптография и каким образом она стала фактическим ядром блокчейн-технологии. История криптографии уходит далеко в глубь тысячелетий. Во все времена у людей существовала необходимость передавать секретную информацию на расстоянии. В первую очередь дело обычно касалось информации, имеющей военное значение. В эпоху отсутствия в мире систем коллективной безопасности более слабые в военном отношении государства постоянно становились добычей агрессивных соседей. Единственным шансом для малых государств сохранить свою свободу и независимость было найти себе сильных союзников. Но для заключения подобных соглашений необходимо было обмениваться информацией, которая ни при каких обстоятельствах не должна была стать известна потенциальному противнику. То же самое касалось и приказов военного командования к своим подразделениям, находящимся вдали от дислокации основных сил: для осуществления постоянной координации нужно было передавать и получать информацию о местоположении, численности, снабжении, а также тактике и стратегии предстоящих боевых действий. Информация передавалась через специально подготовленных людей (гонцов или шпионов), задачей которых было максимально быстро и незаметно для противника передать послание конечному адресату. Тем не менее существовал немалый риск, что такой посланец будет перехвачен, а информация, которую он несет, станет достоянием врагов. Эти риски постоянно учитывались при составлении сообщений, поэтому их практически никогда не писали открытым текстом, а пытались определенным образом зашифровать. Подобная практика предполагала, что ключ к расшифровке текстов имеется только у отправителя и у тех, кому данное послание адресовано. А это означает, что до того, как начать обмен сообщениями, необходимо было приложить определенные усилия к распространению шифровальных ключей между центром и его потенциальными адресатами. Что, в свою очередь, влекло за собой риск, что эта информация может быть перехвачена (или перекуплена) и впоследствии использована для чтения сообщений неприятеля. Разумеется, сам отправитель не будет иметь об этом ни малейшего понятия, поскольку факт обладания тайным ключом не будет предан противником гласности. Принцип, когда сообщения шифруются и дешифруются одним и тем же ключом, которым владеют обе стороны, вступающие в обмен информацией, называется симметричной криптографией, поскольку в данном случае имеет место явная симметрия в шифровальных ключах. Именно этот принцип и использовался почти все время существования человеческой цивилизации — от глубокой древности и вплоть до конца 70-х годов прошлого века. Какие же приемы использовались в те времена для шифрования? Как и у других областей человеческого знания, у криптографических технологий была своя собственная эволюция. Начиналось все с банальной подстановки одних букв послания вместо других. Например, римский полководец Гай Юлий Цезарь кодировал послания своим генералам методом сдвига букв на три позиции в латинском алфавите. То есть буква B становилась буквой E, C — F и так далее. Подобные подстановочные шифры называют еще моноалфавитными. Впоследствии моноалфавитные шифры были вытеснены полиалфавитными, когда к буквам шифруемого текста циклически применялись несколько моноалфавитных шифров. Этот метод с различными вариациями использовался почти 1000 лет, до начала XX века, когда в обиход вошли электромеханические устройства для шифрования сообщений. Наверное, самой известной реализацией подобного способа криптографии является немецкая роторная шифровальная машина «Энигма», шифры которой считались невскрываемыми. С современной точки зрения шифр «Энигмы» выглядит криптографически слабым. Однако во времена Второй мировой войны эта шифровальная машина сумела доставить изрядные хлопоты противникам Германии. Еще задолго до начала военных действий, в 1932 году, польской разведке удалось на базе сведений от своих германских агентов получить некоторые коды и принципы устройства машины. Это позволило полякам воссоздать машину у себя в лаборатории и попытаться разобраться в алгоритме ее работы. В 1939 году Германия вторглась в Польшу, однако незадолго до этого все наработки по «Энигме» были переданы британской разведке, которая создала специальную группу по дешифровке сообщений и привлекла в нее талантливого математика и криптографа Алана Тьюринга. К 1940 году команда Тьюринга сумела построить около двухсот криптоаналитических машин, работающих с шифром «Энигмы», но исключительное многообразие вариантов перебора для расшифровки очень долго не позволяло взломать код. Тем не менее Тьюрингу удалось выявить повторяющиеся фразы в зашифрованных сообщениях. Одним из таковых оказалось нацистское приветствие, присутствующее почти в каждом тексте, что позволило существенно сузить диапазон перебора вариантов и наконец взломать шифр. Считается, что именно это событие существенно повлияло на поражение Германии, а дата окончания войны, как полагают некоторые специалисты, приблизилась не менее чем на год. К началу второй половины XX века ученые стали все больше приходить к выводу, что возможностей симметричной криптографии явно недостаточно для решения ряда современных задач. С появлением компьютеров и увеличением их вычислительной мощности взломы даже самых сложных симметричных шифров, используемых в то время, перестали быть серьезной проблемой. Поэтому мир постепенно стал переходить к математической криптографии. Результатом этого перехода стала настоящая революция, которая выразилась в появлении принципиально нового раздела криптографии. Речь идет о криптографии асимметричной, или, как ее еще называют, криптографии с открытым ключом. В 1976 году два криптографа, Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман, опубликовали работу под названием «Новые направления в современной криптографии». Основная идея, изложенная в работе, состояла в методе, при котором, помимо одного секретного ключа, формируется также и второй — открытый, математически связанный с секретным ключом. При этом процесс восстановления секретного ключа из открытого представляет собой исключительно сложную математическую задачу. Конечный результат этой идеи воплотился в возможности распространять секретный ключ по открытым каналам, не рискуя при этом раскрыть его третьим лицам. Для этого сторонам необходимо было лишь обменяться между собой открытыми ключами с добавлением вспомогательной расчетной информации. А затем, при помощи математических операций, восстановить общий секретный ключ на стороне получателя. Этот |