Что такое криптография и хэш-функция в системе блокчейна

В основе технологии блокчейн лежит криптография — наука о методах обеспечения конфиденциальности информации и сохранения ее подлинности. Говоря простыми словами, это наука о шифровании данных (наука о криптосистемах).

Сегодня мы расскажем о ключевых понятиях криптографии, на которых строится блокчейн, и о главном элементе этой системы — хэш-функции.

Основные понятия криптографии

Главной задачей криптографии является защита данных от изменения и несанкционированного доступа к ним в процессе их хранения и передачи от отправителя к получателю. Это достигается путем использования следующих элементов в системе хранения, обработки и обмена информацией:

• Криптографические ключи — случайная последовательность символов, упорядоченная по определенным правилам. Каждый ключ уникален, последовательности символов никогда не повторяются. Ключ может принадлежать одному пользователю или группе пользователей.
• Конфиденциальность — достигается за счет использования специальных алгоритмов и методов шифрования (симметричного и асимметричного), взаимной аутентификации абонентов (обмен паролями), цифровых сертификатов и подписей, и т. п.
• Целостность и подлинность передаваемых данных — сохраняется путем шифрования, подтверждается электронной подписью.
• Аутентификация — установка соединения только между легальными участниками системы, защита от взломов. Для получения доступа в систему абонент должен пройти проверку и подтвердить свои права пользователя.
• Шифрование данных — фундамент, на котором строится вся система защиты информации. Шифр — это преобразование исходной информации в иную форму ее представления, но с сохранением всех изначальных данных. Дешифрование — восстановление исходного сообщения при помощи ключа шифрования. 

Все коммуникации внутри сети блокчейн функционируют по принципам криптографии, то есть подлинность внесения любых изменений в базу данных проверяется, подделка невозможна, все отправители и получатели информации идентифицируются, несанкционированное добавление нового блока в сеть невозможно.

Что такое хэш-функция

Криптографическая хэш-функция преобразует данные в буквенное или цифровое выражение, формируя строку букв или цифр, которая называется хэшем и имеет ограниченную длину. Так, хэш криптовалюты биткоин содержит 64 символа.

Трудно представить, что любой объем данных можно вместить в такую относительно короткую строку, но именно в этом и заключается уникальность хэш-функции. Например, хэш слова «пес» имеет такой вид:

cd6357efdd966de8c0cb2f876cc89ec74ce35f0968e11743987084bd42fb8944

Но и целый абзац из 5-6 строк будет умещаться в строчке точно такой же длины, но с иным набором символов.

Как хэш-функция используется в блокчейне

Чтобы блокчейн работал, должно все время происходить его обновление — добавление записей о новых транзакциях в сети. Именно в процессе добавления в систему новой информации она становится наиболее уязвимой для атак. Но благодаря строгой иерархии в блокчейне гарантируется подлинность всех записей и их защита от несанкционированного изменения.

Использование хэш-функции гарантирует неизменность уже существующей цепочки транзакций. Новый блок ссылается на хэш предыдущего.

Благодаря хэшам общее состояние блокчейна (все когда-либо проведенные операции в сети) можно выразить всего одним числом — хэшем нового блока. За счет этого обеспечивается неизменность и стабильность работы блокчейна.

Майнинг — это хэш-игра

Для функционирования сети блокчейн в ней должны создаваться все новые и новые блоки. Для добавления нового блока сеть должна прийти к консенсусу. Для этого майнеры предлагают свои версии блоков, они проходят верификацию, и сеть выбирает блок, который становится следующим элементом реестра. Но многие майнеры предлагают одинаковые блоки. Тогда каким же образом выбирается тот блок, который станет следующим звеном цепи?

Все очень просто: компьютеры в сети соревнуются в своеобразной хэш-игре, перебирая множество вариантов значения «нонс» (nonce). Это число дающее определенный хэш в комбинации с предыдущими данными при вводе в хэш-функцию.

При нахождении правильного значения, его добавлении в блокчейн и вводе в хэш-функцию формируется рандомный хэш — так называемое «решение задачи». Вычисливший его компьютер получает «приз» — криптовалюту биткоин.

Таким образом поддерживается консенсус в сети блокчейн и предотвращаются хакерские атаки. Все хэши абсолютно уникальны, и только в ходе нахождения правильного значения нонс в комбинации с верными, ранее верифицированными данными получается новый хэш, решающий уравнение.

Если данные искажены, решить задачу невозможно. На этом основан принцип блокчейна и механизм безопасности хранения данных в нем.

Сейчас практически невозможно взломать систему, работа которой построена на использовании криптографической хэш-функции. Для этого потребуются запредельные вычислительные мощности и огромное количество времени на решение задачи. С добавлением каждого нового элемента в системе, ее устойчивость к атакам растет. Технология блокчейн по уровню надежности многократно превосходит все другие системы защиты информации.