3. Криптография и основы блокчейна

1. Конструктивные особенности блокчейна:

2. Два основных криптографических алгоритма или криптографические примитивы.

Криптографическим примитивом может быть хэш-функция, функция шифрования, мощная вычислительная схема, схема аутсорсинга данных, доступ к данным или конфиденциальности.

Криптографический примитив — это сообщения или вычисления, которые должны быть защищены или верифицированы. Они включают в себя некую форму криптографического алгоритма, который называется криптографический примитив. Два основных из них: хэш-функция, концепт цифровых подписей. Так же еще есть доказательство с нулевым разглашением. Но оно не столь фундаментально для изучения блокчейна.

Данная технология позволяет делать вещи проверяемыми и неизменными. И это коммерческая сторона блокчейна, которая и определяет её практическую пользу.

3. Проблема двойных трат.

Двойная трата — это когда есть кусочек информации, который можно отправить дважды. Это крайне важно, так как в системе денег нельзя потратить одну и ту же единицу в двух разных местах.

У нас есть журнал с отметкой во времени добавления тех или иных записей. Записи можно только добавлять их нельзя удалять. И это называется блокчейн. Упрощенное название «цепь блоков».

Кстати, в самой статье Сатоши Накамото не упоминается слово «Блокчейн», этот термин был придуман позже.

Накопление блоков приводит к формированию базы данных. Биткойн сейчас содержит в себе примерно 768 986 блоков (2022-12-26 02:43:20). При этом новый блок создается в среднем примерно раз в 10 минут. В Эфириуме, например, новый блок создается раз в 7 секунд.

Базы данных, или блокчейн, защищены двумя криптопримитивами: хэш-функциями и цифровыми подписями. Ещё есть консенсус для принятия соглашения. Основная проблема и тема для дебат заключается в том, кому принадлежит право изменения данных в базе. Обычно, базы централизованны, но Блокчейн стал децентрализованной базой. И, как следствие, возник вопрос: кто же может добавлять новые записи в базу данных? Механизм консенсуса как раз и создан, чтобы решить это.

Криптография — это не только коммуникация в присутствии врагов, но и вычисления в присутствии врагов. Криптография известна ещё с давних времен, когда занимались шифрованием посланий. Так же очень известное событие — взлом немецкой шифровальной машины Энигмы. Что было показано в фильме “Игра в имитацию”.

Далее мы рассмотрим ассиметричную криптографию.

По сути это отпечаток пальца данных, у которого есть некоторые особенности

Криптографические особенности

Биткойн хэш-функции используют:

Самый долгий хэш с временной отметкой был создан в 1991 году Стюартом Харбором и Суретти.

Каждую неделю в газете Нью Йорк Таймс, можно увидеть в разделе заметок хэш, который хэширует всю предыдущую информацию. Если вы хотите задать временную отметку документу, то просто положите его в хэш. Затем, в следующий момент времени снова в хэш. Тем самым получится блокчейн.

Желтый прямоугольник — это список всех транзакций, в который может входить 1 000 — 2 000 транзакций в каждый блок. То есть блокчейн состоит из этих блоков с транзакциями.

Сатоши Накамото описал как можно сжимать большие объемы информации. А именно с помощью корня Меркла. Зеленая часть, которая называется заголовком блока, не включает в себя список транзакций. То есть разница между полной нодой и облегченной нодой в том, что если скачать облегченную ноду (обычный кошелек) на свой телефон, то она не содержит всего списка транзакций. Но вы спокойно можете скачать все заголовки предыдущих блоков. Вся информация, которая содержится в биткойне занимает около 200 Гб, а то время как заголовки около 60 Мб.

Таким образом, большинство блокчейнов придерживаются следующего принципа: вся главная информация содержится в заголовках блоков, которые называются шапками, а вся тяжелая информация со всем списком транзакций располагается в глубине блока.

Например, Если захэшировать какий-то фильм, то вы все-равно получите 256 бит.

В общем, корень Меркла — это механизм, который позволяет выдернуть из системы и рассмотреть сразу 2 000 транзакций.
Продолжаем список того, что есть в шапке блока:

Что будет, если с течением времени выходные данные хэш-функции станут повторятся, так как количество символов ограничено? И если к разным кускам информации будет привязан один и тот же хэш, то как система поймет, к какому именно куску информации будет привязан хэш?

У Сатоши Накамото описана такая ситуация, когда два хэша Х равны одному хэшу Y. Но все майнеры работают не в одно и то же время, поэтому если такая ситуация возникнет не в единый промежуток времени, то это не будет проблемой для системы. Это касается только майнинга. А хорошая хэш-функция устойчива к столкновениям. И вероятность совпадения данных 0,1^40.

Распространяются ли временные отметки на всю систему?

Временные отметки не особо важны для функционала биткойна. Иногда бывает такое, что какие-то дейтсвия они показывают с отклонением в несколько минут, а порой и часов. В биткойне есть скрипт, который проверяет расхождение временных отметок, если они отличаются больше, чем на несколько часов. То есть в буквальном смысле временные отметки не очень точные. Когда мы майним 540 000-й блок, и остальные ноды его подтверждают и начинают майнить 540 001-й блок, то блоки накладываются друг на друга. Порядок наложения блоков друг на друга намного важнее, чем временные отметки.

Если хэш-функция хэширует только транзакции, то как меняется хэш, когда изменяется предыдущий блок, который нужно захэшировать?

И тут мы переходим к корням Меркла

Это пример с четырьмя транзакциями. Нижние четыре транзакции хэшируются. Полученный результат объединяется. Потом опять хэшируем его, и таким образом, продвигаемся по древу. Есле бы у нас была 1 000 транзакций, то, так как это примерно 2 в 10 степени, то было бы 10 уровней этого древа. Майнеры и майнинговые пулы этим и занимаются в своих нодах. Любой может скачать эту программу, которая берёт эти транзакции, помещает в бинарное древо Меркла и используя хэш-функции, сжимает всю информацию к верхушке древа.

Если поменять, например, шапку в одном из корневых блоков, то древо Меркла не изменится. Оно может поменяться, если, например, мы добавим новые транзакции, которых раньше не было. И важный момент в плане стимула. Одна из транзакций в корне древа — это coin base транзакция, то есть это те 12,5 биткойнов, которые получает майнер. И древо Меркла будет всегда разным, в зависимости от того, кто получит блок, кто его добудет.

Древо Меркла — очень эффективный метод, чтобы взять тысячи транзакций и объединить их все в один кусочек информации.

Подярок всех транзакций должен быть одинаковый для всех, кто хэширует информацию?

На самом деле нет. Если вас двое и вы одновременно хэшируете один и тот же блок, но другой человек сделал это быстрее, то все остальные получат информацию, что этот блок уже решён, и начнут майнить уже следующий блок, поверх того, что решён. То есть нужно зайти в пул нерешенных задач и взять необработанные транзакции, чтобы обрабатывать их.

Хэш-функция — это способ сжатия большого количества информации. Нужно поставить туда элеткронный отпечаток пальца и убедиться, что все работает.

Предположим, Алиса хочет написать сообщение Бобу: “Привет, Боб”.

Она шифрует сообщение с помощью публичного ключа Боба. И Боб расшифровывает послание с помощью своего приватного ключа.

Криптография — это метод шифра информации. Шифр Цезаря или шифр фашистов с помощью Энигмы — это все являлось симметричной криптографией. У получателя и отправителя был одинаковый ключ к разгадке шифра. В 70-х годах некоторые инженеры подумали, а что если ключ будет у всех разный. То есть сделать публичный и приватный ключ. И они будут математически взаимосвязаны.

Критический момент для цифровых подписей:

Абсолютно все процессы в биткойне и эфириуме включают в себя потребность в приватном и публичных ключах и в цифровой подписи. Так же необходим хороший рандомайзер чисел. Обычно это делает третья сторона.

Зависимость приватного и публичного ключа. Биткойн использует эллиптическую криптографию. Вы выбираете рандомное число от 0 до 256 — это будет приватный ключ. А публичный ключ создается из вашего приватного ключа. Берётся другое рандомное число и ставится в степень первого числа. То есть о публичном ключе можно подумать как об односторонней функции приватного ключа. Если у вас есть публичный ключ, вы не можете воссоздать с его помощью приватный ключ.

Свойства:

Функция цифровой подписи биткойн:

Ключевой момент заключается в том, что когда мы слышим о публичных ключах и адресах биткойна, мы думаем, что это одно и то же. Но это не так. Технология, которую использовал Сатоши Накамото, хэширует публичный ключ два раза. Первый раз хэширует его с использованием функции SHA256. Потом с использованием другой хэш-функции. Затем, эти функции объединяются и в конце ещё добавляются дополнительные символы, чтобы всё усложнить. Затем используется Base-58, чтобы результат сократить.

Использование двух разных хэширований усиливает безопасность. Так же публичный ключ довольно длинный. Он занимает где-то 512 бит. А после хэширований будет весить всего лишь 256 бит. После применения Base 58, результат ещё будет сокращён.

Так что небольшие отличия между публичным ключом и биткойн адресами все-таки есть. Биткойн адреса, как правило, более безопасные.

Если проводить аналогии с чеками, то цифровая подпись несколько аналогична подписи на чеке. А аналогия биткойн адресу — это тот, кто платит.

В транзакциях у нас есть входные данные и выходные данные. Ещё есть время блокировки. Входные данные — это всегда предыдущие транзакции. Таким образом, идентифицируется сама суть денег на этом блокчейне. Ценность переводится в Сатоши (базовые единицы исчисления). В каждом биткойне 10^8 Сатош. То есть когда вы вводите сумму транзакции — вы пишите ее в Сатошах. Транзакция отправляется с публичным ключом.

Что будет, если появится более передовая хэш-функция, чем SHA-256? Как тогда обновить систему биткойна?

В централизованных системах — можно просто внедрить обновления для всех. А для децинтрализованных систем — необходим некий консенсус. Чтобы обновить программное обеспечение нужно, чтобы все ноды приняли коллективное решение.

Если бы мы хотели заменить хэш-функцию, то не пришлось бы откатываться на все эти 540 000 блоков назад. Могли бы взять все эти блоки, захэшировать их. И сжать до новой хэш-функции.

Спасибо за внимание! Этот разбор третьей лекции из цикла более чем 20 лекций, информация в которых будет постепенно наслаивается, что в результате поможет сформировать понимание относительно темы Биткойна в контексте финансов. Очевидно, что на этапе погружения, возникает ряд вопросов и будет здорово, если вы присоединитесь к нашей группе, где всегда можно коллективно обсудить детали https://t.me/blockchain24money