Как хеширование защищает технологию блокчейна

Технология блокчейн произвела революцию в нашем понимании безопасности и децентрализации, но что же на самом деле объединяет все это? Ответ кроется в хешировании — фундаментальном компоненте криптографии, который обеспечивает целостность, неизменность и надежность блокчейн-сетей. Без хеширования блокчейн в том виде, в котором мы его знаем, был бы невозможен.

Однако, несмотря на свою важность, хеширование часто неправильно понимается или упоминается лишь вскользь в большинстве вводных материалов по блокчейну. В действительности, хеширование затрагивает практически все уровни функционирования блокчейна: от способа связывания отдельных блоков до конкуренции майнеров за добавление новых блоков, от генерации адресов кошельков до аутентификации транзакций.

В этом всеобъемлющем руководстве мы рассмотрим, что такое хеширование, как оно работает на техническом уровне, как оно защищает блокчейн от подделки и атак, как оно связано с другими криптографическими понятиями, такими как шифрование и цифровые подписи, и каким будет будущее хеширования в условиях, когда квантовые вычисления станут долгосрочной задачей.

Читайте также: Решения для идентификации на основе блокчейна: подробное руководство

Основные выводы

1. Хеширование играет важную роль в поддержании целостности данных, обеспечении механизмов консенсуса, проверке транзакций и защите от различных типов атак.
2. Хэширование создает уникальный цифровой отпечаток для каждого блока данных, что делает вычислительно невозможным изменение данных без изменения хэш-значения и аннулирования всей цепочки.
3. Хэширование используется в консенсусе Proof of Work для создания целевого хэш-значения, которое майнеры должны найти, многократно изменяя nonce и перехэшируя блок до тех пор, пока не найдут действительный результат.
4. Хэширование помогает защититься от атак типа 51%, атак Сибиллы и атак двойной траты, делая экономически нецелесообразным изменение блокчейна или создание мошеннических транзакций.
5. В августе 2024 года NIST завершил разработку трех стандартов постквантовой криптографии (FIPS 203, 204, 205), дав рекомендации организациям начать миграцию своих систем уже сейчас, до истечения срока устаревания алгоритмов, уязвимых для квантовых вычислений, к 2035 году.
6. Хэширование принципиально отличается от шифрования: хэширование — это односторонний, необратимый процесс, используемый для проверки целостности, тогда как шифрование обратимо и используется для защиты конфиденциальности.

Что такое хеширование? Объяснение простым языком.

Хэширование — это процесс, который принимает на вход любой текст любой длины, будь то один символ, абзац текста или целый файл, и выдает строку символов фиксированного размера, называемую хешем, хэш-значением или дайджестом. Выходной результат всегда имеет одинаковую длину независимо от размера входных данных. Одни и те же входные данные всегда будут давать один и тот же хэш. Но что особенно важно, даже малейшее изменение входных данных приводит к совершенно другому результату хэширования.

Представьте себе хеш как уникальный цифровой отпечаток пальца для любого фрагмента данных. Точно так же, как у двух людей не бывает одинаковых отпечатков пальцев, два разных фрагмента данных не должны давать одинаковый хеш. И точно так же, как нельзя восстановить человека по его отпечатку пальца, нельзя восстановить исходные данные по его хешу. Именно эта односторонняя, необратимая природа делает хеширование таким ценным инструментом безопасности.

Наглядный пример это наглядно демонстрирует. Возьмите фразу «Hello» и пропустите её через алгоритм SHA-256, и вы получите:

Ввод: Hello

SHA-256 Hash: 185f8db32921bd46d35cc2e586c20eea06c8f3eff0d8b4a7a5a1e0ef7cbfd88

Теперь изменим всего один символ, превратив букву «h» в заглавную, чтобы получилось «hello» в строчную букву:

Ввод: привет

SHA-256 Hash: 2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824

Два совершенно разных результата при изменении одной буквы. Такое поведение называется лавинный эффектЭто одно из важнейших свойств безопасности, которым может обладать хеш-функция. Поскольку даже малейшее изменение входных данных приводит к кардинально другому результату, любая попытка манипулирования данными блокчейна немедленно обнаруживается.

Пять основных свойств криптографических хеш-функций

Не каждая математическая функция подходит в качестве криптографической хеш-функции. Для обеспечения безопасности блокчейна хеш-функция должна удовлетворять пяти важнейшим свойствам:

1. Детерминистический. Один и тот же входной сигнал всегда будет давать один и тот же выходной сигнал, каждый раз, на каждой машине. Это крайне важно для проверки: если две стороны хешируют одни и те же данные блока, они должны получить один и тот же хеш, чтобы подтвердить согласие.
2. Сопротивление проекции (одностороннее). Имея хеш-значение, вычислительно невозможно восстановить исходные данные в обратном порядке. Именно это принципиально отличает хеширование от шифрования.
3. Эффект лавины (чувствительность к изменениям входных данных). Даже малейшее изменение во входных данных, например, изменение одного бита в файле, содержащем миллион символов, должно привести к совершенно другому хешу. Это делает обнаружение подделок надежным и мгновенным.
4. Устойчивость к столкновениям. Найти два разных входных параметра, дающих одинаковый хеш-значение, должно быть вычислительно нецелесообразно. Хотя коллизии теоретически возможны (бесконечное количество входных параметров отображается в конечное пространство выходных параметров), современные алгоритмы делают их обнаружение практически невозможным.
5. Быстрые вычисления. Хэш должен вычисляться быстро, чтобы узлы в сети блокчейн могли эффективно проверять блоки и транзакции. В то же время, в некоторых случаях, например, при майнинге с использованием алгоритма Proof of Work, вычислительная сложность намеренно завышается для создания экономических барьеров для атак.

Читайте также: Роль хеш-функций в безопасности блокчейна

Хэширование, шифрование и добавление соли: понимание различий.

Один из наиболее распространенных источников путаницы в дискуссиях о безопасности блокчейна — это представление хеширования и шифрования как взаимозаменяемых технологий. Это не так. Каждая из них служит принципиально разным целям, и понимание этого различия крайне важно для любого, кто работает с технологией блокчейна или изучает ее.

Свойства	хеширования	Шифрование	Соление
Цель	Проверить целостность данных	Защита конфиденциальности данных	Укрепите хешированные пароли от атак с использованием предварительно вычисленных алгоритмов.
Реверсивный?	Нет (односторонняя функция)	Да (с ключом расшифровки)	Нет (применяется до хеширования)
Требуется ключ?	Нет	Да	Нет
Длина выхода	Фиксированный размер независимо от входных данных.	Переменная (зависит от входных данных и алгоритма)	Результат хеширования аналогичен результату хеширования с добавлением соли.
Основное применение в блокчейне	Блоковая привязка, деревья Меркла, генерация адресов, PoW (Positive Worker Works — алгоритм проверки подлинности).	Защита закрытых ключей и данных кошелька в состоянии покоя.	Защита паролей кошельков, хранящихся у поставщиков услуг.
Пример алгоритма	SHA-256, SHA-3, BLAKE3	AES-256, RSA	bcrypt, Argon2 (включает встроенную функцию добавления соли)

Хэширование обеспечивает целостность данных: Это доказывает, что данные не были изменены. Вы хешируете блок, сохраняете хеш, а затем повторно хешируете тот же блок, чтобы подтвердить совпадение. Если совпадение отсутствует, данные были изменены.

Шифрование обеспечивает конфиденциальность: Она преобразует данные в нечитаемую форму, которую можно расшифровать только с помощью определенного ключа. Шифрование используется в блокчейне для защиты закрытых ключей и конфиденциальных пользовательских данных как в состоянии покоя, так и при передаче.

Добавление соли повышает качество хешированных паролей: Соль — это уникальная случайная строка, добавляемая к паролю перед его хешированием. Это гарантирует, что два пользователя с одинаковыми паролями получат разные хеш-значения, что делает атаки с использованием предварительно вычисленных радужных таблиц бесполезными. Даже если злоумышленник украдет базу данных хешированных паролей, каждый хеш с солью необходимо атаковать индивидуально, что является вычислительно непомерно большим в больших масштабах. Современные алгоритмы, такие как bcrypt и Argon2, автоматически включают встроенное добавление соли.

Важно помнить следующее: Шифрование — это запертый ящик, который можно открыть правильным ключом. Хэширование — это односторонний блендер. Вы можете смешать смузи, но не сможете вернуть его в исходное состояние, чтобы восстановить ингредиенты. Блокчейн основан на принципе работы блендера.

Распространенные хеш-функции, используемые в блокчейне

В разных блокчейн-сетях используются разные хеш-функции, каждая из которых выбрана с учетом определенных свойств, соответствующих целям проектирования сети. Вот подробное описание:

Алгоритм	Размер вывода	Используется в	Ключевые характеристики
SHA-256	256 бит (32 байта)	Биткоин, многие другие криптовалюты	Разработан АНБ как часть семейства SHA-2. Чрезвычайно устойчив к коллизиям. По оценкам, для перебора с помощью классических вычислений потребуется миллиарды лет. Используется как для хеширования блоков, так и для решения задачи майнинга Proof of Work.
SHA-3 / Keccak	Переменная (224, 256, 384, 512 бит)	Эфириум (хеширование адресов)	Опубликовано NIST в 2015 году. Использует принципиально иную внутреннюю структуру (конструкция «губка») по сравнению с SHA-2, обеспечивая консервативный резервный вариант на случай обнаружения уязвимостей в SHA-2. Ethereum использует Keccak-256 для генерации адресов.
Ethash	256 биты	Ethereum (традиционная архитектура Proof of Work)	Разработанная с упором на большие объемы памяти, эта технология устойчива к доминированию ASIC-майнеров. Впоследствии она была вытеснена переходом Ethereum на Proof of Stake.
Scrypt	Технология	Лайткоин, Догикоин	Заложенные в основу технологии требуют больших объемов памяти, что увеличивает стоимость эксплуатации крупных майнинговых ферм и способствует расширению участия в майнинге.
X11	512 биты	Dash	Последовательно объединяет 11 различных хеш-функций. Более энергоэффективен, чем SHA-256, и устойчив к майнингу с помощью ASIC-майнеров на момент запуска.
БЛЕЙК3	256 бит (по умолчанию)	Новые блокчейн-проекты	Чрезвычайно быстрый, хорошо поддающийся параллельному программированию и считающийся высокозащищенным. Все чаще изучается как кандидат на применение в постквантовых приложениях благодаря высоким показателям безопасности.

Устаревшие алгоритмы, которых следует избегать:

MD5 и SHA-1 больше не считаются безопасными для криптографических целей. SHA-1 генерирует 160-битные значения, и еще в 2005 году были выявлены уязвимости к коллизиям. MD5 полностью неработоспособен. Ни один из них не должен использоваться в блокчейне или критически важных для безопасности приложениях. Всегда используйте SHA-256, SHA-3 или более новые альтернативы.

Как хеширование защищает технологию блокчейн

Освоив основные концепции, мы можем теперь подробно изучить, как хеширование выполняет свою функцию обеспечения безопасности внутри блокчейна. Каждое из описанных ниже приложений уникально, но вместе они образуют взаимосвязанную систему, где компрометация любого отдельного элемента приведет к разрушению всей структуры.

1. Обеспечение целостности данных посредством связывания блоков.

Основная роль хеширования в блокчейне заключается в создании криптографической связи между блоками, которая и определяет название структуры данных. Каждый блок в цепочке содержит не только собственные данные транзакций и метаданные, но и хеш предыдущего блока. Это создает цепочку хешей, простирающуюся до самого первого блока, известного как генезисный блок.

Практические последствия весьма значительны: если какие-либо данные в любом историческом блоке изменяются, даже на один символ, хеш этого блока меняется. Поскольку следующий блок содержит старый хеш этого блока в качестве части своих данных, хеш следующего блока также изменяется. И блок после него тоже изменяется. И так далее, вплоть до самого последнего блока. Любое изменение исторических данных одновременно делает недействительным каждый последующий блок в цепочке.

Упрощенная иллюстрация принципа работы блочных ссылок:

Блок 1 | Данные: [Транзакция A, Транзакция B] | Предыдущий хеш: 0000000 | Собственный хеш: abc123

Блок 2 | Данные: [Tx C, Tx D] | Предыдущий хэш: abc123 | Собственный хэш: def456

Блок 3 | Данные: [Передача E, Передача F] | Предыдущий хэш: def456 | Собственный хэш: ghi789

Если данные Блока 1 изменены:

Блок 1 | Данные: [Передача A*, Передача B] | Предыдущий хэш: 0000000 | Собственный хэш: XYZ999 (изменен!)

Блок 2 | Данные: [Tx C, Tx D] | Предыдущий хеш: abc123 | НЕСООТВЕТСТВИЕ — цепочка разорвана

Именно поэтому данные блокчейна описываются как неизменяемые. Не потому, что физически невозможно изменить блок, а потому, что изменение даже одного блока требует пересчета хешей каждого последующего блока, а в сети с доказательством работы — также повторного выполнения вычислительного доказательства работы для каждого из этих блоков. Учитывая миллионы уже подтвержденных блоков и постоянное добавление новых в сеть, злоумышленнику потребуется бесконечно превосходить по вычислительным показателям всю честную сеть, что экономически невозможно в сколько-нибудь значительных масштабах.

2. Доказательство работы, консенсус и процесс майнинга

В блокчейнах с алгоритмом Proof of Work, таких как Bitcoin, хеширование также является движущей силой самого механизма консенсуса. Майнеры не просто собирают транзакции в блок и передают его. Они должны доказать, что выполнили определенный объем вычислительной работы, и это доказательство принимает форму хеша.

В каждом заголовке блока содержится поле, называемое nonce, число, которое майнеры могут свободно изменять. Задача майнера — найти такое значение nonce, чтобы при хешировании всего заголовка блока полученный хеш был ниже целевого порога, что на практике означает, что хеш должен начинаться с заданного количества ведущих нулей. Поскольку результат хеширования непредсказуем, единственный способ найти допустимое значение nonce — это перебрать миллиарды различных значений, хешируя каждое из них и проверяя результат.

Заголовок блока = Хэш предыдущего блока + Корень Меркла + Временная метка + Цель + Одноразовый код

Цель: найти Nonce такой, что SHA-256(SHA-256(Заголовок блока)) < Целевое значение

Пример корректного хеша биткойн-блока:

0000000000000000000a4e8bb6fc6c64d8e6f1ce… (many leading zeros)

Каждая попытка занимает микросекунды, но поиск нужного Nonce может занять больше времени.

Триллионы попыток по всей сети майнинга.

Сеть автоматически корректирует целевой уровень сложности примерно каждые две недели, чтобы поддерживать стабильное среднее время генерации блока в десять минут по мере роста или снижения общей вычислительной мощности. Этот саморегулирующийся механизм означает, что независимо от того, сколько вычислительной мощности задействуется в сети, блоки производятся с постоянной скоростью, а экономические издержки атаки на цепочку растут пропорционально честным инвестициям в майнинг.

3. Деревья Меркла и эффективная проверка транзакций

Внутри каждого блока отдельные транзакции не просто перечисляются и хешируются как группа. Они организованы в структуру данных, называемую деревом Меркла, названную в честь криптографа Ральфа Меркла, которая использует иерархическое хеширование для обеспечения чрезвычайно эффективной проверки.

Процесс работает следующим образом. Каждая отдельная транзакция хешируется. Затем хеши этих транзакций объединяются в пары и хешируются вместе. Эти пары хешей снова объединяются в пары и хешируются. Этот процесс продолжается вверх по дереву, пока наверху не останется один хеш, называемый корнем Меркла. Корень Меркла включается в заголовок блока и сам по себе встраивается в хеш блока.

Меркл Рут

/\

Хэш(AB) Хэш(CD)

/ \ / \

Хэш(A) Хэш(B) Хэш(C) Хэш(D)

| | | |

Tx A Tx B Tx C Tx D

Сила этой структуры заключается в том, что она позволяет осуществлять проверку. Чтобы доказать, что конкретная транзакция включена в блок, вам не нужно загружать или проверять весь блок. Вам нужна только сама транзакция, заголовок блока (который содержит корень Меркла) и небольшой набор хешей соседних транзакций вдоль пути от этой транзакции к корню. Этот набор хешей называется доказательством Меркла или путем Меркла.

Это имеет огромное значение для легковесных клиентов, таких как мобильные кошельки и узлы SPV (Simplified Payment Verification), которые не могут хранить весь блокчейн. Они могут проверить существование транзакции в подтвержденном блоке, используя лишь крошечную часть данных, полагаясь на криптографические гарантии дерева Меркла для обеспечения безопасности. Любое изменение транзакции изменит ее хеш и немедленно распространится вверх по дереву, создавая другой корень Меркла, отличный от того, что указан в заголовке подтвержденного блока.

4. Генерация адреса кошелька

В большинстве блокчейн-сетей публичные адреса, которыми пользователи делятся для получения средств, не являются их исходными открытыми ключами. Они представляют собой результат хеширования открытого ключа, как правило, в несколько этапов и с дополнительным кодированием для обнаружения ошибок.

В Биткоине, например, публичный адрес формируется путем обработки открытого ключа алгоритмом SHA-256, затем результата алгоритмом RIPEMD-160, добавления байта версии и контрольной суммы, и, наконец, кодирования результата в Base58Check. В Эфириуме берется хеш Keccak-256 открытого ключа, и последние 20 байтов используются в качестве адреса.

Этот подход выполняет несколько важных функций. Во-первых, он обеспечивает дополнительный уровень конфиденциальности: сам открытый ключ не раскрывается в блокчейне до тех пор, пока транзакция не будет подписана с этого адреса. Во-вторых, хеширование открытого ключа обеспечивает многоуровневую защиту: даже если криптография на эллиптических кривых каким-либо образом ослабнет в будущем, злоумышленнику все равно потребуется взломать хеш-функцию, чтобы связать адрес с его открытым ключом. В-третьих, хеш-выходы фиксированной длины означают стандартизированную длину адресов, что упрощает реализацию и уменьшает количество ошибок.

5. Цифровые подписи и аутентификация транзакций

Каждый раз, когда пользователь отправляет криптовалютную транзакцию, он должен доказать, что является законным владельцем расходуемых средств. Эта аутентификация основана на цифровых подписях, а хеширование является основой для создания и проверки этих подписей.

Процесс состоит из трех этапов. Во-первых, данные транзакции хешируются для получения дайджеста фиксированной длины, независимо от размера или сложности самой транзакции. Во-вторых, отправитель шифрует этот хеш своим закрытым ключом. Этот зашифрованный хеш является цифровой подписью. В-третьих, подпись прикрепляется к транзакции и передается в сеть.

Любой узел, получивший транзакцию, может проверить её, расшифровав подпись с использованием общеизвестного открытого ключа отправителя, независимо перехешировав данные транзакции и сравнив два результата. Если они совпадают, транзакция подлинная и не была изменена. Если они не совпадают, значит, был использован неверный закрытый ключ или данные транзакции были изменены во время передачи.

Такое сочетание хеширования с криптографией с открытым ключом позволяет одновременно достичь трех целей: аутентификации (доказательство того, что отправитель контролирует закрытый ключ), целостности (доказательство того, что данные транзакции не были изменены) и невозможности отказа от авторства (отправитель не сможет впоследствии заявить, что он не санкционировал транзакцию).

6. Защита от двойных расходов

Двойная трата — это попытка потратить один и тот же криптовалютный баланс более одного раза, фактически создавая деньги из ничего. Это фундаментальная проблема, которую должна решить любая цифровая валюта, не имеющая центрального органа для разрешения подобных ситуаций. хешированияВ сочетании с механизмом консенсуса блокчейна именно так Биткойн и подобные сети решили эту проблему.

Когда транзакция передается, узлы проверяют реестр блокчейна, чтобы убедиться, что указанные средства еще не были потрачены. Как только транзакция включена в подтвержденный блок с достаточным количеством последующих блоков, добавленных поверх нее, изменение исторической записи для ее удаления потребует пересчета хешей и доказательства работы для каждого последующего блока, причем это происходит быстрее, чем честная сеть расширяет цепочку. На практике, после шести подтверждений в Биткоине, стоимость отмены транзакции считается непомерно высокой для любого реального злоумышленника.

Роль хеширования в обеспечении безопасности блокчейна: более подробный анализ.

Неизменяемость благодаря криптографическим связям

Концепция неизменности блокчейна часто представляется так, как если бы реестр был физически неизменяемым. Более точное описание заключается в том, что изменение исторических записей вычислительно и экономически нецелесообразно из-за кумулятивной криптографической работы, представленной цепочкой хешей.

Чтобы изменить блок, расположенный, скажем, на глубине 10 000 блоков в блокчейне Биткоина, злоумышленнику потребуется:

1. Измените данные в целевом блоке.
2. Пересчитайте действительный хеш Proof of Work для этого блока, найдя новый действительный nonce.
3. Повторите это для каждого из 10 000 последующих блоков, каждый из которых теперь имеет недействительный хэш предыдущего блока.
4. Всё это происходит быстрее, чем честная сеть расширяет цепочку новыми блоками.
5. Распространите мошенническую цепочку по сети и убедите достаточное количество узлов принять ее в качестве канонической.

Учитывая, что к 2025 году общая хешрейт Биткоина превышает 800 эксахешей в секунду, а высокоспециализированное ASIC-оборудование распределено по тысячам майнинговых предприятий по всему миру, энергетические и капиталовложения, необходимые для того, чтобы превзойти честную сеть, во много раз превышают возможности любого реального злоумышленника.

Обеспечение безопасности процесса добычи и корректировка сложности.

Взаимосвязь между сложностью хеширования и безопасностью сети представляет собой самоподдерживающуюся систему. По мере того, как к сети присоединяется больше майнеров и увеличивается общий хешрейт, целевой порог для действительных хешей блоков автоматически снижается (что затрудняет поиск действительных хешей), поддерживая постоянное среднее время создания блока. Если майнеры покидают сеть и общий хешрейт падает, целевой порог повышается (что облегчает поиск действительных хешей), снова поддерживая стабильное время создания блока.

Это означает, что безопасность сети всегда примерно пропорциональна её общей экономической ценности: сеть, обрабатывающая больший объём данных, привлекает больше инвестиций в майнинг, что повышает хешрейт, а это, в свою очередь, увеличивает стоимость атаки. Злоумышленнику всегда нужно потратить больше средств, чем честному большинству.

Защита от конкретных атак

Хэширование обеспечивает многоуровневую защиту от нескольких конкретных категорий атак:

51% атак: Для осуществления атаки с целью получения 51% хешрейта сети необходимо, чтобы одна организация контролировала более половины общего хешрейта сети. Хотя это и не является буквально невозможным, контроль над 51% хешрейта Биткоина потребовал бы миллиардов долларов на специализированное оборудование и постоянные затраты на электроэнергию, а сама атака уничтожила бы стоимость криптовалюты, которую злоумышленник пытался использовать. В больших масштабах такая атака становится саморазрушительной. Небольшие блокчейн-сети с меньшим общим хешрейтом действительно более уязвимы для атак с целью получения 51% хешрейта, и несколько небольших цепочек уже были успешно атакованы таким образом.

Сивилла атакует: Атака Сибиллы предполагает создание большого количества поддельных учетных записей для получения непропорционального влияния в сети. В системах Proof of Work личность не имеет значения: влияние определяется хешрейтом. Создание миллиона поддельных учетных записей майнеров не дает никаких преимуществ, если эти учетные записи в совокупности обладают не большей вычислительной мощностью, чем один честный майнер. Хешрейт — это дефицитный ресурс, определяющий влияние в сети, а не количество учетных записей.

Двойные траты: Как описано выше, сочетание криптографической связи посредством хешей и требования доказательства работы делает отмену подтвержденных транзакций непомерно дорогой. Чем глубже транзакция в цепочке, тем больше доказательств работы должен преодолеть злоумышленник.

Атаки с использованием прообраза: Злоумышленнику, пытающемуся подделать транзакцию или создать мошеннический блок, хешируемый в известное целевое значение, потребуется обратить хеш-функцию, найдя входные данные, которые дают определенные выходные данные. Для SHA-256 это потребовало бы приблизительно 2^256 операций при использовании классических вычислений — число настолько большое, что превышает количество атомов в наблюдаемой Вселенной.

Почему целостность данных блоков важна для пользователей криптовалют

Каждый раз, когда вы проверяете баланс своего кошелька или подтверждаете полученный платеж, ваше программное обеспечение использует связанный с хешем блокчейн, чтобы гарантировать, что история транзакций, которую оно считывает, не была изменена. Неизменяемость записей блокчейна — это не маркетинговый ход; это математическое свойство, обеспечиваемое совокупной вычислительной мощностью всей сети.

Хэширование за пределами блокчейна: другие примеры применения в реальном мире.

Понимание того, где еще используется хеширование, помогает прояснить, почему его свойства важны и почему разработчики блокчейна и исследователи безопасности так серьезно относятся к его целостности.

Хранение пароля

Ответственные приложения никогда не хранят ваш фактический пароль в своей базе данных. Вместо этого, когда вы создаете пароль, приложение хеширует его (с добавлением соли) и сохраняет только хеш. При входе в систему приложение хеширует введенный вами пароль с сохраненной солью и сравнивает результат с сохраненным хешем. Если они совпадают, аутентификация проходит успешно. Исходный пароль никогда не нужно хранить или извлекать.

Это означает, что даже если злоумышленник взломает базу данных и украдет все хешированные пароли, он не сможет напрямую восстановить исходные пароли. Ему придется пытаться взломать каждый хеш по отдельности, что является вычислительно затратным процессом, особенно с использованием таких мощных алгоритмов, как bcrypt или Argon2, которые по своей конструкции намеренно медленны и требуют больших объемов памяти.

В Facebook Meta хешируют и «солят» пароли пользователей с помощью функции scrypt. Даже собственные инженеры Facebook не могут увидеть ваш пароль в открытом виде. Это правильный подход, и он основан на той же философии, которую блокчейн применяет к данным транзакций и блоков.

Проверка целостности файла

При загрузке программного обеспечения из интернета ответственные издатели предоставляют контрольную сумму — хеш легитимного файла. После загрузки вы можете самостоятельно хешировать файл и сравнить его с опубликованной контрольной суммой. Если значения совпадают, файл не был поврежден при передаче и не был изменен злоумышленником, который мог бы подменить его версией, содержащей вредоносное ПО. По принципу это идентично тому, как узлы блокчейна проверяют соответствие данных блока включенному хешу.

Цифровые сертификаты и HTTPS

Значок замка в адресной строке вашего браузера основан на хешировании. Когда центр сертификации подписывает цифровой сертификат, он хеширует данные сертификата и шифрует этот хеш своим закрытым ключом, формируя цифровую подпись. Ваш браузер проверяет подлинность сертификата, расшифровывая подпись открытым ключом центра сертификации и сравнивая результат со своим собственным хешем данных сертификата. Тот же механизм, который проверяет подлинность транзакций в блокчейне, проверяет подлинность веб-сайтов, которые вы посещаете каждый день.

Git-контроль версий

Каждый коммит в Git идентифицируется хешем SHA-1, содержащимся в его содержимом. Это позволяет мгновенно обнаружить любые попытки изменения исторических коммитов кода — то же свойство, которое делает блокчейн неизменяемым. Хотя SHA-1 больше не рекомендуется для приложений, критически важных с точки зрения безопасности, Git работает над переходом на SHA-256 именно по этой причине.

Проблемы и ограничения хеширования в блокчейне

Хэширование не является идеальным или безграничным решением. Ряд важных проблем заслуживает честного обсуждения.

Угроза квантовых вычислений

Наиболее серьезной долгосрочной проблемой, стоящей перед криптографическими хеш-функциями, является разработка квантовых компьютеров. В данном контексте актуальны два квантовых алгоритма, и их применение различно.

Алгоритм Гровера Это обеспечивает квадратичное ускорение для задач перебора. Для хеш-функции с n-битной защитой алгоритм Гровера снижает эффективную защиту примерно до n/2 бит. Это означает, что SHA-256 обеспечит приблизительно 128 бит квантовой защиты вместо 256 бит. Хотя это значимое теоретическое снижение, 128-битная защита все еще считается вычислительно невыполнимой: в настоящее время эксперты сходятся во мнении, что SHA-256 и SHA-3 остаются защищенными от известных квантовых методов, а SHA-384 или SHA-512 рекомендуются для систем, требующих наивысшей долгосрочной гарантии.

Алгоритм Шора Это гораздо опаснее, но она нацелена на криптографию с открытым ключом (RSA, криптография на эллиптических кривых), а не непосредственно на хеш-функции. Асимметричная криптография, используемая для цифровых подписей в блокчейне, представляет собой более актуальную квантовую уязвимость. Теоретически, достаточно мощный квантовый компьютер, работающий с алгоритмом Шора, мог бы получить закрытый ключ из открытого ключа, что позволило бы злоумышленнику подделать подписи и украсть средства с раскрытых адресов.

По состоянию на середину 2025 года крупнейшие квантовые процессоры имеют сотни физических кубитов. Для взлома 256-битной эллиптической криптографии Биткойна потребуются миллионы высококачественных логических кубитов после учета затрат на коррекцию ошибок. Большинство независимых исследователей оценивают, что реальная квантовая угроза для развернутых криптографических систем появится не раньше чем через несколько лет, обычно это 2030-е годы. Однако временные рамки нелинейны и неопределенны.

Постквантовые стандарты NIST (2024)

В августе 2024 года NIST завершил разработку своих первых трех стандартов постквантовой криптографии: FIPS 203 (ML-KEM, для инкапсуляции ключей), FIPS 204 (ML-DSA, для цифровых подписей) и FIPS 205 (SLH-DSA, схема цифровой подписи на основе хеширования без сохранения состояния). Согласно опубликованному NIST графику перехода (NIST IR 8547), алгоритмы, уязвимые для квантовых вычислений, планируется исключить из стандартов NIST к 2035 году, а системы высокого риска, как ожидается, перейдут на новые стандарты гораздо раньше. SLH-DSA примечателен тем, что его безопасность полностью основана на устойчивости к коллизиям базовых хеш-функций, что делает его особенно консервативным и ориентированным на хеширование выбором для постквантовых подписей.

Виталик Бутерин публично изложил план действий на случай внезапного квантового прорыва в Ethereum: хардфорк, который заморозит скомпрометированные адреса и позволит легитимным пользователям перейти на кошельки, защищенные от квантовых атак. Сообщество Bitcoin также обсуждало пути миграции. Эти планы подтверждают, что отрасль осознает масштаб проблемы и готовится к ней.

Уязвимости хэш-функций

История показывает, что хеш-функции, считавшиеся безопасными, иногда оказывались уязвимыми. SHA-1 считался надежным до 2005 года, когда были выявлены теоретические уязвимости к коллизиям, а к 2017 году проект Google Project Zero опубликовал первое реальное сообщение о коллизии SHA-1. MD5 считался неработоспособным еще дольше.

Реакция отрасли на эти открытия иллюстрирует, как блокчейны спроектированы для решения подобных проблем: большинство современных блокчейнов включают пути обновления, позволяющие сети перейти на более надежные хеш-функции, если текущая будет скомпрометирована. Это требует консенсуса сообщества и скоординированного обновления, но такой механизм существует. Важность использования стандартизированных, хорошо проверенных алгоритмов вместо пользовательских хеш-функций невозможно переоценить: пользовательские реализации вводят неизвестные уязвимости без учета многолетнего криптоанализа со стороны сообщества.

Энергопотребление и доказательство работы

Майнинг по алгоритму Proof of Work требует огромных объемов электроэнергии именно потому, что его безопасность зависит от того, насколько дорогостоящими будут вычисления. Годовое потребление энергии биткоином сопоставимо с потреблением средних стран, что вызывает серьезную критику по экологическим соображениям.

Это привело к развитию альтернативных механизмов консенсуса. Ethereum завершил свой переход от Доказательство работы для подтверждения ставки В 2022 году потребление энергии сократилось примерно на 99.95%. Proof of Stake заменяет вычислительную работу по майнингу хешей экономическим залогом: валидаторы блокируют криптовалюту в качестве залога и выбираются для создания блоков на основе своей доли. Хэширование по-прежнему играет важную роль в системах Proof of Stake (целостность блоков и транзакций, деревья Меркла, генерация адресов), но энергоемкая конкуренция в майнинге хешей устраняется.

Ограничения масштабируемости

По мере роста блокчейн-сетей и увеличения объемов транзакций хеширование, необходимое для проверки, может стать узким местом. Каждый полный узел должен хешировать и проверять каждый блок, а задача доказательства работы в майнинговых сетях должна оставаться достаточно вычислительно сложной, чтобы сдерживать злоумышленников. Различные решения для масштабирования решают эту проблему за счет внесетевых каналов транзакций, шардинга и оптимизированных протоколов проверки, которые сохраняют фундаментальные гарантии безопасности на основе хеширования, одновременно снижая вычислительные затраты на каждую транзакцию.

Будущее хеширования в блокчейне

По мере развития угроз и возможностей в криптографической сфере меняется и роль хеширования в технологии блокчейн. Несколько важных направлений формируют следующее поколение безопасности блокчейна.

Постквантовые хеш-функции

Исследователи активно разрабатывают и стандартизируют хеш-функции и схемы подписи, предназначенные для противодействия как классическим, так и квантовым атакам. Стандарт SLH-DSA Национального института стандартов и технологий (NIST), окончательно утвержденный в 2024 году, представляет собой схему цифровой подписи на основе хеширования без сохранения состояния, безопасность которой полностью зависит от сложности задач хеширования, без необходимости использования какой-либо криптографии с открытым ключом, которую квантовые компьютеры могли бы атаковать с помощью алгоритма Шора. В переходный период рекомендуются гибридные схемы, которые параллельно выполняют как классический, так и постквантовый алгоритм, чтобы обеспечить безопасность даже в случае неожиданной компрометации одного из алгоритмов.

Что касается хеш-функций, то основным способом защиты от алгоритма Гровера является использование более длинных хешей: SHA-384 и SHA-512 обеспечивают достаточный запас квантовой безопасности даже с учетом квадратичного ускорения. BLAKE3 также активно изучается как высокопроизводительная альтернатива с высоким запасом безопасности для постквантовых сред.

Доказательства с нулевым разглашением и хеширование с сохранением конфиденциальности

Доказательства с нулевым разглашением (ZKP) представляют собой одно из самых интересных достижений в прикладной криптографии для блокчейна. Доказательство с нулевым разглашением позволяет одной стороне доказать другой, что она знает секрет или что вычисления были выполнены правильно, не раскрывая при этом никакой информации о самих исходных данных.

Хэш-функции являются неотъемлемой частью построения многих систем ZKP. Системы zk-SNARK (Zero-Knowledge Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge — краткие неинтерактивные аргументы знания с нулевым разглашением) используют внутренние хэш-обязательства для обеспечения работы таких приложений, как частные транзакции, где пользователь может доказать наличие достаточных средств для совершения платежа, не раскрывая свой фактический баланс или историю транзакций. Zcash была одной из первых криптовалют, внедривших это. Более современные системы, такие как StarkNet, используют STARK, которые полагаются исключительно на хэш-функции, устойчивые к коллизиям, и избегают требований к доверительной настройке, характерных для более ранних систем ZKP, что делает их особенно привлекательными для постквантовой безопасности.

Взаимодействие и межсетевое хеширование

По мере развития экосистемы блокчейна и необходимости взаимодействия множества цепочек, хеширование играет ключевую роль в кроссчейн-протоколах. Контракты с временной блокировкой хеширования (HTLC) используют криптографические хеш-обязательства для обеспечения атомарных обменов между различными блокчейнами: транзакция в одной цепочке блокируется хешем и может быть разблокирована только путем раскрытия прообраза этого хеша, что одновременно освобождает соответствующую транзакцию в другой цепочке. Ни одна из сторон не может обмануть, поскольку хеш-функции гарантируют, что раскрытие прообраза в одной цепочке автоматически предоставляет необходимое доказательство в другой.

Доказательства Меркла также используются в протоколах межцепочечных мостов, позволяя одной цепочке проверить, что определенное событие произошло в другой цепочке, без запуска полного узла для этой цепочки. Проверяемая и защищенная от подделки природа хешей дерева Меркла делает эту межцепочечную проверку практичной и надежной.

Специализированные хеш-функции для конкретных сценариев использования

Хэш-функции общего назначения, такие как SHA-256, не были оптимизированы для специфических ограничений каждого возможного приложения блокчейна. По мере развития этой области мы наблюдаем все большее развитие хэш-функций, адаптированных к конкретным контекстам: функции, оптимизированные для эффективности схем доказательства с нулевым разглашением, функции, требующие больших объемов памяти и предотвращающие централизацию майнинга на ASIC, и функции, разработанные для встроенных устройств в приложениях IoT с поддержкой блокчейна. Цель в каждом случае состоит в сохранении основных свойств безопасности криптографической хэш-функции при одновременной оптимизации характеристик производительности для среды развертывания.

Лучшие практики для разработчиков блокчейнов

Для разработчиков, создающих приложения на основе блокчейн-инфраструктуры или внедряющих криптографические системы, взаимодействующие с ней, следующие принципы представляют собой передовую практику:

1. Используйте стандартизированные, хорошо проверенные хеш-функции. SHA-256, SHA-3 / Keccak-256 и BLAKE3 — подходящие варианты для большинства приложений блокчейна. Никогда не создавайте собственную хеш-функцию для производственной системы, если вы не являетесь профессиональным криптографом, чья разработка прошла тщательную экспертную оценку.
2. Никогда не используйте MD5 или SHA-1. Для любых целей, связанных с обеспечением безопасности. Обе функции считаются неработоспособными для криптографических приложений и должны рассматриваться только как устаревшие функции.
3. Внедрить добавление соли для хеширования всех паролей. Используйте специализированные функции хеширования паролей, такие как bcrypt или Argon2, которые включают добавление соли и намеренно медленны и ресурсоемки, чтобы противостоять атакам методом перебора и атакам с использованием графических процессоров.
4. Разработка с учетом криптографической гибкости. Создавайте системы таким образом, чтобы хеш-функция могла быть обновлена ​​в случае обнаружения уязвимости. Жесткое кодирование единственной хеш-функции без возможности обновления создает технический долг, который может стать критическим в будущем.
5. Начните планирование постквантовой миграции. NIST опубликовал четкий график: алгоритмы, уязвимые для квантовых атак, планируется вывести из эксплуатации к 2035 году. Системы, обрабатывающие конфиденциальные или долго хранящиеся данные, должны начать оценивать свою уязвимость к квантовым атакам уже сейчас, особенно это касается схем подписи и механизмов обмена ключами.
6. Используйте надлежащую систему управления ключами. Хэш-функции защищают целостность данных в блокчейне, но безопасность кошелька в конечном итоге зависит от закрытого ключа. Безопасные процедуры генерации, хранения и резервного копирования ключей так же важны, как и криптографические алгоритмы, использующие эти ключи.
7. Разберитесь в ограничениях используемых вами хеш-функций. Различные алгоритмы имеют разные профили производительности, свойства безопасности и устойчивость к определенным типам атак. Правильный выбор зависит от конкретного сценария использования, модели угроз и требований к производительности.

Читайте также: Распределение хешрейта в 2024 году: как обстоят дела в разных странах

Мнение эксперта о хешировании и безопасности блокчейна

Вклад хеширования в безопасность блокчейна во многом определяется его способностью аутентифицировать данные и обнаруживать попытки их несанкционированного доступа. Билл Манн, эксперт по вопросам конфиденциальности в Cyber ​​Insider: «Хеширование является неотъемлемой частью технологии блокчейн, поскольку оно гарантирует неизменность данных».

Манн также признает сохраняющуюся конкуренцию между исследователями безопасности и противниками: «Кибербезопасность постоянно развивается как в проактивном, так и в реактивном режиме с обеих сторон, и мы просто продолжаем двигаться вперед». Это отражает более широкую реальность того, что криптографическая безопасность — это не решенная проблема, а постоянно развивающаяся область. Разработка постквантовых стандартов NIST, продолжающиеся исследования в области доказательств с нулевым разглашением и активная работа сообщества над путями обновления блокчейна — все это демонстрирует на практике такой проактивный, перспективный подход.

Реакция криптографического сообщества на потенциальные квантовые угрозы является хорошим примером такой проактивной позиции. Вместо того чтобы ждать, пока квантовые компьютеры станут способны взламывать существующие стандарты, NIST начал процесс постквантовой стандартизации в 2016 году и представил окончательные стандарты в 2024 году. Индустрия блокчейна готовится к будущему, которое может наступить лишь через годы или десятилетия, потому что цена неподготовленности слишком высока.

Заключение

Хэширование — это невидимая основа безопасности блокчейна. Это не одна из многих функций; это основополагающий механизм, от которого зависят все остальные свойства безопасности блокчейна. Неизменяемость реестра, справедливость конкуренции в майнинге, эффективность проверки транзакций с помощью деревьев Меркла, конфиденциальность и обнаружение ошибок адресов кошельков, подлинность цифровых подписей, а также устойчивость к двойной трате и другим атакам — всё это напрямую вытекает из свойств криптографических хэш-функций.

Понимание хеширования означает понимание того, почему данные блокчейна заслуживают доверия, не требуя при этом доверия к какому-либо центральному органу. Математическая достоверность односторонней функции, чрезвычайная чувствительность лавинного эффекта и устойчивость современных алгоритмов к коллизиям в совокупности делают несанкционированное изменение данных не только обнаруживаемым, но и вычислительно невозможным в больших масштабах.

Предстоящие вызовы реальны. Квантовые вычисления представляют собой долгосрочное давление на криптографические предположения, лежащие в основе современных систем безопасности, основанных на хешировании. Переход к постквантовым стандартам уже идет полным ходом на уровне стандартов, и блокчейн-индустрия должна продолжать разрабатывать механизмы обновления и процессы достижения консенсуса в сообществе, необходимые для миграции по мере того, как эти стандарты становятся необходимыми на практике.

Для разработчиков, инвесторов и пользователей технологии блокчейн основной посыл один и тот же: хеширование — это не техническая деталь реализации, которую следует оставлять экспертам. Это математическая основа, на которой зиждется обещание децентрализованного, прозрачного и защищенного от несанкционированного изменения глобального реестра. Чем яснее вы это понимаете, тем лучше вы подготовлены к оценке безопасности, надежности и долгосрочной жизнеспособности любой блокчейн-системы, с которой вы взаимодействуете.