Блокчейн. Цихилов. Блокчейн (Цихилов). Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей
 Скачать 2.63 Mb.
|
|
Каким же образом работает шифрование с открытым ключом? На самом деле принцип достаточно прост — каждый пользователь генерирует себе секретный ключ, пусть даже и случайным образом. Затем при помощи математических операций, зависящих от конкретного алгоритма шифрования, он получает из этого секретного ключа второй ключ, который имеет статус публичного. То есть владелец публичного ключа может открыто его распространять: поместить на сайте, в почтовом сообщении или вообще напечатать в газете. Раскрывать свой публичный ключ необходимо, поскольку он обязательно понадобится тому, кто захочет отправить сообщение владельцу этой пары ключей — для шифрования сообщения. Фокус в том, что расшифровать сообщение, закодированное публичным ключом, можно только лишь при помощи соответствующего ему секретного ключа и никак иначе. Как мы видим, подобная система не в пример удобнее, чем симметричная форма криптографии, где постоянная необходимость распространения общего секретного ключа по незащищенным каналам создает серьезную уязвимость для технологии шифрования в целом. Однако следует отметить, что и симметричные системы шифрования продолжают использоваться в наше время. Дело в том, что симметричные алгоритмы обладают очень высокой скоростью шифрования и расшифровки. В системах, где этот параметр является критичным, а также при условии, что стороны смогут обеспечить безопасный обмен секретными ключами между собой, применение симметричного шифрования может оказаться вполне оправданным и эффективным. Довольно часто при передаче данных в сети интернет применяется комбинация алгоритмов асимметричной и симметричной криптографии. В частности, при установлении соединения используется передача общего секрета при помощи алгоритма Диффи–Хеллмана, а затем этот общий секрет используется обеими сторонами как ключ для шифрования и дешифрования пакетов данных симметричными алгоритмами. Но все же в распределенных системах с большим количеством пользователей безраздельно властвует асимметричная криптография, и блокчейн-проекты — не исключение. Какие же методы асимметричного шифрования наиболее популярны в настоящее время? АСИММЕТРИЧНАЯ КРИПТОГРАФИЯ Алгоритмов асимметричного шифрования достаточно много. Но в этой книге мы остановимся лишь на нескольких из них, переходя от относительно простых к более сложным. Алгоритм Диффи–Хеллмана, появившийся первым среди методов асимметричной криптографии, не решал задачу аутентификации сторон, которые совместно генерировали секретный ключ. Однако уже в 1977 году появился алгоритм, который обеспечивал не только сам процесс шифрования, но и был пригоден для создания аутентификации субъекта системы посредством цифровой электронной подписи. Данный алгоритм базировался на задаче так называемой «факторизации» больших целых чисел и получил название в виде аббревиатуры RSA — по фамилиям ученых, его создавших — Рональда Ривеста, Ади Шамира и Леонарда Адлемана. Факторизацией называется процесс разложения натурального числа на произведение простых множителей. В алгоритме RSA секретный ключ представляет собой два больших простых числа, а публичный ключ — произведение этих двух чисел. Использование этого метода в криптографии обусловлено его свойством, благодаря которому задача перемножения нескольких чисел является достаточно легкой, в том числе и для весьма больших значений. В то же время обратное разложение полученного числа на исходные множители является задачей исключительной вычислительной сложности. Поясним на примере. Допустим, у нас есть три простых числа — 3, 5 и 7. Простые числа — это те, которые без остатка делятся лишь на себя самих и на единицу. Перемножим эти три числа между собой и получим результат — 105. А теперь представим, что у нас имеется только конечный результат 105 и нам необходимо разложить его обратно на простые множители, то есть получить исходные числа 3, 5 и 7. При решении задачи даже для такого небольшого трехразрядного числа человек столкнется с трудностями. А задача о факторизации чисел, имеющих разрядность в десятки позиций, и для современного компьютера может стать весьма нетривиальной. Безусловно, существуют алгоритмы, которые позволяют осуществлять факторизацию несколько эффективнее, чем простым перебором делителей, но однозначно оптимального алгоритма, позволяющего быстро решить эту задачу для больших чисел, пока не изобрели. Проблема факторизации чисел занимала умы ученых еще сотни лет назад. Одним из первых, кто занялся этой задачей, стал французский математик Пьер де Ферма. Еще в 1643 году он предложил свой метод факторизации, который используется для криптоанализа шифров RSA и в наши дни. Понятно, что для любого алгоритма шифрования всегда найдутся люди, которые будут искать возможности для эффективной атаки на него. Кто-то в преступных целях, а кто-то в научных — чтобы исследовать криптостойкость алгоритма и защитить проекты, базирующиеся на данном решении. Еще в середине 2000-х гг. стали появляться сообщения о том, что группа ученых того или иного университета взломала сначала 512-битный, а затем и 1024-битный ключ RSA. При этом они не задействовали какую-то исключительную вычислительную мощность, а для решения задачи им потребовалось вполне разумное время. Конечно, ни один, даже самый мощный компьютер, с такой вычислительной нагрузкой в одиночку не справится, поэтому для решения подобных задач компьютеры обычно объединяют в специальные вычислительные кластеры. За последние десять лет вычислительная мощность компьютеров заметно выросла. Согласно закону Мура, производительность компьютерных процессоров удваивается каждые 18 месяцев, поэтому для поддержания криптостойкости алгоритма RSA в различных технологических решениях необходимо постоянно увеличивать длину открытого ключа. Поскольку до бесконечности этот процесс продолжаться не может, от данного алгоритма стали отказываться и переходить к более прогрессивным решениям, в которых достаточная криптостойкость поддерживается для ключей с разумной разрядностью — в пределах 256–1024 бит. Одним из таких стал алгоритм формирования цифровой подписи DSA, построенный на модели дискретного логарифмирования. В данном алгоритме используется так называемая модульная арифметика, которая представляет собой задачу поиска степени, в которую необходимо возвести заданное число, чтобы, разделив результат по модулю на другое заданное число, получить желаемый остаток от деления. Чтобы стало понятнее, рассмотрим следующий пример: Деление по модулю — это обычное деление целых чисел друг на друга с целым остатком. Подобную арифметическую операцию проходят в младших классах школы, непосредственно перед изучением дробей. После чего про деление с остатком благополучно забывают и не вспоминают до университетского курса высшей математики. Где неожиданно выясняется, что деление с остатком на самом деле играет довольно важную роль в теории чисел и алгебре. В нашем примере мы должны определить, в какую степень нам надо возвести тройку, чтобы потом, разделив полученный результат по модулю на 17, получить число 13 в качестве остатка от деления. Правильный ответ: x = 4. То есть 3 4 = 81, 81/17 = 4 + остаток 13 (проверка: 4 x 17 = 68 + 13 = 81). Довольно просто, не правда ли? Возводя тройку в различные степени x от единицы и более, а затем деля по модулю полученный результат на 17, мы будем каждый раз получать различные остатки от деления. Однако у них будет одно общее свойство — все эти остатки будут находиться в диапазоне от 1 до 16 включительно, но выстраиваться отнюдь не по порядку (по мере последовательного возрастания степени x). Множество этих чисел называется кольцом вычетов. Кольцом, потому что остатки будут постоянно повторяться для разных показателей степени, в которую возводится базовое число. А теперь представим, что мы оперируем не одно-двухразрядными, а очень большими числами. В этих случаях, если степень заданного числа нам заранее неизвестна, то задача ее нахождения для конкретных величин остатков становится очень и очень сложной. Именно эта сложность и лежит в основе алгоритма DSA. Как уже упоминалось выше, все подобные алгоритмы шифрования построены на принципе, при котором задача в одну сторону решается очень быстро и просто, а в обратную — исключительно сложно. И алгоритм DSA — не исключение. Если мы будем решать задачу для больших чисел путем простого перебора различных значений, то данный метод будет работать очень медленно. Поэтому вместо обычного перебора были разработаны алгоритмы, которые решают эту задачу гораздо эффективнее. Настолько эффективно, что, принимая во внимание постоянное увеличение производительности современных компьютеров, математики вынуждены были задуматься о необходимости повышения сложности алгоритма шифрования. В противном случае они могли бы столкнуться с проблемой массового взлома шифров уже в относительно недалеком будущем. Чтобы придать задаче существенное усложнение, в 1985 году был разработан алгоритм дискретного логарифмирования на базе эллиптических кривых (алгоритм ECDSA). О чем в данном случае идет речь и что это за кривая? Эллиптическая кривая — это множество точек, описываемое уравнением y 2 = x 3 + ax + b. То есть, по сравнению с алгоритмом DSA, операции совершаются не над кольцом целых чисел, а над множеством точек эллиптической кривой, что существенно усложняет задачу восстановления закрытого ключа из открытого. Вот пример обычной эллиптической кривой: На множестве точек эллиптической кривой могут выбираться такие точки, для которых возможно совершить операцию сложения самих с собой и получить результат в виде другой точки на этой же кривой. То есть решить уравнение X = nP, где n = 2 и более, а X и P являются точками на данной кривой с координатами по осям x и y. Умножение на константу n есть не что иное, как операция последовательного сложения n раз. Таким образом, мы начинаем с того, что нам необходимо сложить начальную точку с ней же самой и получить результат в виде такой же точки, но уже с новыми координатами. Геометрически операция сложения точки эллиптической кривой с самой собой представляет построение касательной к данной точке. Затем мы находим точку пересечения касательной с графиком кривой и строим от нее вертикальную прямую, находя таким образом точку ее пересечения на обратной стороне кривой. Эта точка и будет результатом сложения. Вот как выглядит операция сложения точки с самой собой геометрически: После чего, уже при следующей итерации, исходной точкой будет являться та, которая была получена в виде результата сложения на предыдущем шаге. Именно от нее мы строим новую касательную, и так далее — n раз. Сложность задачи состоит в обратном поиске n для известных точек X и P, и эта задача не имеет быстрого решения. В данном случае n будет закрытым ключом, а X — открытым. Понятно, что компьютер при расчетах осуществляет операцию сложения не геометрически, а чисто алгебраически, для чего существуют специальные формулы на базе имеющихся координат по осям x и y для каждой из точек. Отдельно отметим, что далеко не все формы эллиптических кривых подойдут для формирования на их базе криптографических алгоритмов. Существуют довольно «слабые» в этом аспекте эллиптические кривые, которые неустойчивы к различным алгоритмам решения задачи дискретного логарифмирования. Поэтому, чтобы эллиптическая кривая была пригодна для сложных криптографических задач, она должна удовлетворять различным требованиям, которые мы здесь рассматривать не будем, чтобы излишне не усложнять описание общих принципов. В теории алгоритмов выделяют различные категории сложности решения математических задач: полиномиальную, субэкспоненциальную и экспоненциальную. Сложность алгоритма дискретного логарифмирования на базе эллиптических кривых растет с экспоненциальной скоростью. До сих пор не разработано ни одного решения данной задачи даже за субэскпоненциальное время. То есть за время, пропорциональное функции, которая растет медленнее, чем любая степенная функция. Именно поэтому данный алгоритм получил в наши дни наиболее широкое применение как достаточно криптостойкая модель, использующая ключи с относительно небольшой разрядностью. Если мы сравним вышеописанные алгоритмы между собой, то для случая, когда длина открытого ключа RSA или обычного DSA, например, будет равна 1024 бит, алгоритму, использующему эллиптические кривые для достижения сопоставимой криптостойкости, достаточно будет иметь разрядность всего 160 бит. Разница в эффективности очевидна, поэтому самые популярные блокчейн-проекты, такие как Биткоин или Ethereum (да и многие другие), используют именно криптографию на эллиптических кривых, признанную на текущий момент самой надежной. Помимо собственно процедуры шифрования данных важнейшим элементом, связанным с шифрованием, в технологии блокчейн является цифровая электронная подпись (ЭЦП). Что это такое и каким образом она используется? ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПОДПИСЬ Привычное для нас понятие «подпись» старо как мир — задача проверки подлинности документов стояла перед человечеством с древнейших времен. В качестве элементов, усложняющих подделку документов, использовались уникальные формы начертания имени чиновника, купца, феодала или даже монарха, созданные рукой самого автора. Делалось это подчас в сочетании с сургучными или восковыми печатями с оттиском государственных или родовых гербов подписанта. Считалось, что данная комбинация в большой степени защищает документ от несанкционированного воспроизведения с измененными в пользу фальсификатора данными. В большинстве случаев эти защитные меры действительно себя оправдывали. Однако не существовало никакой гарантии, что какой-нибудь средневековый злоумышленник, вооруженный специальными для таких случаев приспособлениями, не сможет воссоздать копию документа, достаточно близкую к оригиналу. С появлением и развитием компьютерных технологий проблема аутентичности информации, передаваемой по телекоммуникационным каналам, встала особенно остро — ведь подделать незащищенный цифровой документ гораздо проще, чем рукописный. Поэтому долгое время компьютерные документы распечатывали, подписывали вручную и в большинстве случаев ставили на них чернильную печать. Затем документ сканировался и передавался как графическое изображение, содержащее как печатные данные, так и рукотворные регалии. Но и в этом случае никаких гарантий от подделок существовать не могло. По крайней мере, до тех пор, пока технологии не перешли на совершенно новый качественный уровень — создание документов с цифровой электронной подписью, сформированной на базе алгоритмов асимметричной криптографии. Цифровая электронная подпись — это результат работы определенного криптографического алгоритма, на вход которого подается два необходимых элемента: хеш набора данных, подлежащих подписанию, и секретный ключ владельца подписи. Цифровая подпись обладает целым рядом полезных свойств, главным из которых является то, что сформировать подпись может только владелец секретного ключа и никто иной. Точнее, могут иметь место вычислительные попытки восстановить секретный ключ из открытого, но, как мы убедились ранее, сделать это крайне сложно, и вероятность подобного исхода исчезающе мала. Цифровую подпись можно проверить на подлинность, зная открытый ключ владельца подписи. При этом подписанный конкретной подписью документ уже не сможет быть изменен ни в одном своем бите, поскольку подпись в этом случае сразу утратила бы свою валидность. Это произошло бы потому, что изменился бы хеш подписываемого документа, от которого напрямую зависит формирование самой подписи. То есть электронная цифровая подпись не только идентифицирует ее автора, но еще и гарантирует неизменность документа, который ею подписан. Для формирования цифровой электронной подписи необходимо в первую очередь выбрать достаточно криптостойкий алгоритм асимметричной криптографии. Затем сформировать на его базе пару ключей — секретный и публичный. После чего вычислить хеш подписываемого блока данных, например, какого-то документа, предварительно выбрав подходящий алгоритм хеш-функции. Хеширование преследует две цели: защиту целостности исходных данных и создание их цифрового отпечатка в стандартизированной форме. После чего, имея хеш данных и закрытый ключ, мы запускаем алгоритм формирования ЭЦП и получаем на выходе результат в виде строки данных. Проверка подлинности подписи и целостности подписанных данных в различных алгоритмах шифрования математически отличается друг от друга. Однако общим принципом проверки является вычисление двух результатов, полученных разными способами, при этом для получения одного из них в обязательном порядке используется открытый ключ подписанта. Затем эти результаты сравнивают и в случае их неравенства делают вывод, что подпись подделана либо исходные данные претерпели изменения после подписания. В качестве примера рассмотрим алгоритм RSA. Здесь сравниваются хеши подписанного блока данных, где первый хеш получается стандартным способом как результат действия хеш- функции над исходными данными, а второй вычисляется при помощи открытого ключа. Затем два полученных хеша сравниваются, после чего можно сделать выводы о подлинности подписи, то есть ее математическом соответствии подписанным данным. Следует еще раз подчеркнуть, что формирование ЭЦП или процедура ее проверки проводятся при помощи математических операций, присущих только конкретному, предварительно выбранному алгоритму шифрования. Как правило, для этого используются алгоритмы факторизации или дискретного логарифмирования, в том числе и на множестве точек эллиптических кривых. Именно последний способ в основном применяется в блокчейн-средах как наиболее криптостойкий. Схема примера подписания и проверки подписи при помощи алгоритма RSA показана на рисунке: Следует также отметить, что электронная цифровая подпись совершенно не обязательно базируется на алгоритмах асимметричного шифрования. Существуют методики ее использования и для симметричных систем. В этом случае необходим еще один субъект — третье лицо в виде арбитра, которому доверяют обе стороны и который хранит общий секретный ключ. Очевидно, что данная схема используется достаточно редко в силу отсутствия эффективных алгоритмов и необходимости безусловного доверия третьим сторонам. Поэтому в подавляющем большинстве случаев используют алгоритмы асимметричной криптографии, а в блокчейн-проектах их применяют повсеместно. |