Популярно об основах криптографии, используемой в протоколе Биткоина
В основе Биткоина лежит криптография – наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним), целостности данных (невозможности незаметного изменения информации) и аутентификации (проверки подлинности авторства или иных свойств объекта).
Биткоин построен на трех основных криптографических технологиях – хэшировании, асимметричной криптографии и электронной цифровой подписи (ЭЦП). Собственно, эти технологии лежат и в основе самой криптографии, позволяя обеспечивать конфиденциальность, целостность данных и аутентификацию.
Разумеется, для понимания работы Биткоина необходимо понимать, как же работают технологии, на которых он базируется. Я просто и наглядно расскажу об этом.
Хэширование: Просто и наглядно
Хэширование, или хэш-функция – одна из основных составляющих современной криптографии и протокола Биткоина.
Но, что это такое? Как наглядно представить сущность хэша?
Начнем с того, что хэширование – это особое преобразование любого массива информации, в результате которого получается его некое отображение, образ или дайджест, называемый хэшем (hash) – уникальная короткая символьная строка, которая присуща только этому массиву входящей информации.
Из этого следует, что для любого объема информации, будь-то одна буква или, например, роман Льва Толстого «Война и мир» (или даже всё Полное собрание сочинений этого автора) существует уникальный и неповторимый хэш – короткая символьная строка. Причем, если в той же «Войне и мире» изменить хотя бы один символ, добавить один лишь знак, – хэш изменится кардинально до неузнаваемости.
Как такое может быть? Целый многотомный роман и короткая строчка, которая отражает его!
В этом смысле хэш подобен отпечатку пальца человека или его ДНК. Хотя последняя аналогия не полностью передает суть хэша.
Хэш подобен отпечатку пальца человека
Как известно, отпечаток пальца уникален и в природе не существует людей с одинаковыми отпечатками. Даже у близнецов отпечатки пальцев разные. Это же касается и структуры ДНК человека. Она уникальна! Нет людей с одинаковой структурой ДНК.
Но ведь ДНК, а тем более отпечаток пальцев – относительно короткие наборы информации. И, тем не менее, они являются неким кодом, присущим конкретному человеку. Можно считать, что это и есть «хэши» этого человека. С тем лишь отличием, что эти «хэши» не меняются с возрастом человека.
Итак, первое свойство хэша – его уникальность:
Каждому набору (массиву) информации присущ строго определенный, уникальный хэш.
Тем не менее, иногда встречаются т.н. коллизии – случаи, когда хеш-функция для разных входных блоков информации вычисляет одинаковые хэш-коды.
Математики-криптографы стараются создать такие хэш-функции, вероятность коллизий в которых стремилась бы к нулю.
Следует отметить, что функций, которые вычисляют хэш, существует множество. Но наиболее распространена (в частности, используется в протоколе блокчейна Биткоина) хэш-функция под названием SHA-256 (от Secure Hash Algorithm – безопасный алгоритм хеширования). Эта хэш-функция формирует хэш в виде строки из 64 символов (длина – 256 бит или 32 байта).
Попробуем при помощи функции SHA-256 получить хэш для заголовка этой главы («Хэширование: Просто и наглядно»).
Это будет:
ef3c82303f3896044125616982c715e7757d4cd1f84c…
Примечание: Здесь и далее с целью удобства представления на странице будем обрезать хэш до 44 символов, заканчивая троеточием.
А теперь изменим заголовок всего лишь на один символ – добавим знак восклицания в конце («Хэширование: Просто и наглядно!»).
Получилось:
a6123e137d1d7f0aad800cdbc0918a65bb7a778a607c…
Как видите, изменение всего лишь на один знак исходного массива информации привело к кардинальному изменению его хэша!
И это второе важное свойство хэша:
– при самом незначительном изменении входной информации её хэш меняется кардинально.
Это свойство важно при использовании хэширования в цифровой подписи, так как позволяет удостовериться, что подписанная информация не была изменена во время её передачи по каналам связи.
Третье важное свойство хэша вытекает из того, что хэш-функция необратима. Другими словами:
– не существует обратной функции, которая из хэша может восстановить исходный массив информации.
Из этого следует, что восстановить по хэшу соответствующий ему массив информации возможно только перебором всех возможных вариантов. Что практически невозможно, поскольку количество информации бесконечно!
Это свойство важно, поскольку делает взлом хэша (восстановление исходной информации по её хэшу) или невозможным, или весьма дорогостоящим занятием.
Еще одно важное свойство хэш-функций – это относительно высокая скорость работы.
Хэширование позволяет достаточно быстро вычислить искомый хэш из весьма большого массива входной информации.
Этим хэширование существенно отличается от кодирования (шифрования) и декодирования (дешифрования).
Хэширование или хэш-функция используется во многих алгоритмах и протоколах. В частности, в электронной цифровой подписи (ЭЦП) и блокчейне.
