шифр

Что такое криптографический алгоритм?

Криптографический алгоритм — это математически определённый способ преобразования или проверки данных, чтобы только авторизованные лица могли их прочитать, а остальные могли проверить целостность и происхождение с помощью криптографических доказательств.

На практике криптографические алгоритмы реализуют три ключевые функции безопасности: конфиденциальность с помощью шифрования, целостность с помощью хеширования, а также аутентификацию и невозможность отказа с помощью криптографии с открытым ключом и цифровых подписей. Современная криптография не зависит от секретности алгоритма; она основана на общедоступных, прошедших экспертную оценку алгоритмах, безопасность которых определяется математической сложностью и правильным управлением ключами.

Как работают криптографические алгоритмы

Криптографические системы используют несколько классов алгоритмов, каждый из которых выполняет свою задачу. Ни один алгоритм не обеспечивает полной безопасности в одиночку.

Симметричное шифрование использует один общий секретный ключ для шифрования и расшифровки данных. Благодаря высокой вычислительной эффективности оно широко применяется для защиты данных на высокой скорости — например, при шифровании хранилищ или в защищённых сессиях после обмена ключом.

Криптография с открытым ключом использует математически связанные пару ключей: открытый и закрытый. Открытый ключ можно публиковать, а закрытый должен оставаться в секрете. Такая модель обеспечивает аутентификацию личности, безопасный обмен ключами и цифровые подписи в открытых, недоверенных средах, например, в блокчейнах.

Хеш-алгоритмы в криптографии

Хеш-алгоритм преобразует данные любого размера во вход фиксированной длины — хеш или дайджест. Хеширование используется для проверки, а не для конфиденциальности.

Хеширование не является шифрованием и рассчитано на невозможность обратного вычисления. Криптографические хеш-функции обладают эффектом лавины: малейшее изменение входных данных полностью меняет выход, что позволяет надёжно выявлять модификации данных.

Блокчейны широко используют хеширование. В Bitcoin применяется SHA-256 для построения блоков и RIPEMD-160 для генерации адресов. В Ethereum используется Keccak-256 для хеширования транзакций, проверки блоков и исполнения смарт-контрактов. Хеши защищают заголовки блоков, идентификаторы транзакций и Merkle-деревья, обеспечивая эффективную проверку без раскрытия исходных данных.

Цифровые подписи и криптографические алгоритмы

Цифровые подписи предоставляют криптографическое доказательство того, что сообщение или транзакция созданы владельцем определённого закрытого ключа и данные не были изменены после подписания.

Процесс подписания сочетает хеширование и криптографию с открытым ключом. Сначала данные хешируются для получения дайджеста фиксированной длины. Затем дайджест подписывается закрытым ключом. Для проверки используется соответствующий открытый ключ, чтобы убедиться, что подпись действительно принадлежит этому дайджесту.

В Bitcoin и Ethereum для аутентификации транзакций применяется алгоритм цифровой подписи на эллиптических кривых. На уровне консенсуса валидаторы Ethereum используют BLS-подписи, которые позволяют агрегировать несколько подписей в одно доказательство и сокращают объём данных в блокчейне.

Криптографические алгоритмы в блокчейн-системах

Криптографические алгоритмы лежат в основе почти всех операций блокчейна: генерации адресов, проверки транзакций, верификации блоков и контроля целостности между цепями.

Адреса формируются из открытых ключей, сгенерированных с помощью криптографии с открытым ключом. Действительность транзакций подтверждается цифровыми подписями, доказывающими контроль над соответствующим закрытым ключом; узлы сети проверяют это до включения транзакции в блок.

Кошельки создают закрытые ключи с использованием высокоэнтропийной случайности и часто сохраняют резервные копии в виде мнемонических фраз. Хеш-алгоритмы защищают логи смарт-контрактов, ссылки на блоки и структуры проверки на распределённых узлах.

Разные блокчейны используют различные криптографические стандарты. В Ethereum применяются Keccak-256 и подписи ECDSA, а в Solana — подписи Ed25519, оптимизированные для быстрой проверки.

Криптографические алгоритмы на Gate

На Gate криптографические алгоритмы обеспечивают безопасность платформы на уровне коммуникаций, аутентификации и взаимодействия с блокчейном.

API-запросы используют API-ключи в сочетании с подписями на основе HMAC для проверки целостности и подлинности запроса. Шифрование транспортного уровня защищает данные между устройствами пользователей и серверами Gate, обеспечивая защиту учётных данных и торговых инструкций при передаче.

Для вывода криптовалюты используются механизмы криптографической подписи, которые авторизуют транзакции по правилам каждой сети. Узлы сети проверяют эти подписи до подтверждения транзакций в блокчейне. Дополнительные меры, такие как многофакторная аутентификация и системы управления рисками, снижают вероятность несанкционированных действий с аккаунтом.

Как выбрать криптографические алгоритмы

Выбор криптографических алгоритмов зависит от цели безопасности, среды системы и ограничений по производительности.

1. Определите цель: для конфиденциальности требуется симметричное шифрование, для аутентификации и невозможности отказа — криптография с открытым ключом и цифровые подписи, для проверки целостности — хеширование.

2. Соотнесите алгоритмы с задачей: симметричное шифрование подходит для больших объёмов данных, системы с открытым ключом — для открытых сетей, хеши — для проверки.

3. Используйте проверенные стандарты: выбирайте алгоритмы с зрелыми библиотеками и широкой поддержкой, например, ECDSA или Ed25519.

4. Следуйте проверенным рекомендациям: придерживайтесь стандартов, прошедших публичную экспертизу, например, опубликованных NIST, включая постквантовые обновления, анонсированные в 2023 году.

5. Обеспечьте безопасную реализацию: используйте проверенные библиотеки, проводите аудиты, избегайте самостоятельной реализации криптографических решений.

Риски и ограничения криптографических алгоритмов

Криптографическая безопасность зависит от правильной реализации, управления ключами и выбора алгоритма.

Слабая случайность при генерации ключей может привести к предсказуемым ключам. Устаревшие алгоритмы, такие как MD5 и SHA-1, больше не соответствуют современным требованиям безопасности. Ошибки реализации могут привести к атакам по сторонним каналам или уязвимостям в проверке подписей.

Квантовые вычисления представляют долгосрочный риск для криптографических систем на основе RSA и эллиптических кривых. Это стимулирует развитие постквантовой криптографии, устойчивой к квантовым атакам.

Доказательства с нулевым разглашением и криптографические алгоритмы

Доказательства с нулевым разглашением позволяют одной стороне подтвердить истинность утверждения, не раскрывая исходные данные.

Такие системы используют продвинутые криптографические примитивы: хеш-коммитменты, операции на эллиптических кривых и полиномиальные коммитменты. Это позволяет реализовать приватную проверку, например, для конфиденциальных транзакций и ончейн-проверки личности.

Будущие тренды в криптографических алгоритмах

Ключевые направления развития — постквантовая криптография, агрегация подписей и распределённые архитектуры подписи.

В 2023 году NIST объявил первый набор стандартов постквантовой криптографии, включая Kyber и Dilithium. Ожидается, что тестирование и внедрение в индустрии продолжатся до 2025 года и далее.

Мультиподписные кошельки и многопартийные вычисления распределяют полномочия подписи между несколькими ключами, снижая риск единой точки отказа. Схемы агрегации подписей, такие как BLS, повышают масштабируемость, уменьшая нагрузку на верификацию в блокчейне.

Кратко: основные моменты о криптографических алгоритмах

Криптографические алгоритмы — основа безопасности блокчейна и Web3. Симметричное шифрование обеспечивает конфиденциальность, криптография с открытым ключом и цифровые подписи — аутентификацию и подтверждение контроля, а хеширование — целостность данных. Эффективная защита требует правильного выбора алгоритмов, качественной случайности и безопасной реализации.

На платформах вроде Gate криптография обеспечивает защищённую коммуникацию, операции с аккаунтами и взаимодействие с блокчейном. Развитие постквантовой криптографии и распределённых подписей направлено на повышение долгосрочной устойчивости.

FAQ

Что такое криптографический алгоритм? Зачем он нужен блокчейну?

Криптографический алгоритм — это математический способ защиты данных и проверки подлинности. Блокчейны используют криптографические алгоритмы для валидации транзакций, управления идентификацией и поддержания целостности без централизованного доверия.

Является ли цифровая подпись шифрованием?

Нет. Цифровые подписи подтверждают подлинность и целостность данных, но не шифруют содержимое. Шифрование обеспечивает конфиденциальность, а подписи доказывают источник и контроль.

Что делать, если криптографический алгоритм становится небезопасным?

Если алгоритм признаётся небезопасным, системы переходят на более сильные альтернативы. Такой переход уже происходил при отказе от SHA-1 и остаётся постоянной частью поддержки безопасности блокчейна.

Устраняет ли криптография все риски безопасности?

Нет. Криптография снижает риски, но не устраняет их полностью. Слабое управление ключами, недостаточная случайность и ошибки реализации могут подорвать даже надёжные алгоритмы.

Почему вместе с криптографией до сих пор используют пароли?

Пароли управляют доступом к аккаунтам, а криптографические методы обеспечивают проверку и достоверность транзакций. Оба уровня выполняют разные задачи и необходимы для полной безопасности.