Что лежит в основе криптовалют?
Сейчас уже только младенцы не знают про криптовалюты. И практически все знают, что биткоин основан на криптографии. Но можете ли вы сказать, как работает шифрование в криптовалютах и как наука, которая веками занималась лингвистикой, привела к цифровой революции?
Криптовалюты не могли бы существовать без шифрования с открытым ключом.
Криптография с открытым ключом (или асимметричная криптография) обеспечивает конфиденциальность и подтверждает право собственности. Зародилась она сравнительно недавно — в середине 1970-х, — и совпала по времени с революцией персональных компьютеров.
Преимущество этого метода шифрования состоит в том, что сообщение может прочитать только то лицо, которому оно адресовалось. Другими словами, криптография с открытым ключом обеспечивает секретность коммуникаций между сторонами.
Ключ используется для кодирования и декодирования сообщений. В асимметричной криптографии ключ, с помощью которого сообщение кодируется, отличается от ключа, предназначенного для его декодирования.
В симметричном шифровании используется только один ключ. В результате возникает проблема переноса: отправитель не только посылает сообщение, но должен найти надежный способ передать ключ. Если третья сторона перехватит сообщение и ключ, то сможет декодировать данные.
Метод обмена ключами Диффи-Хеллмана
На протяжении большей части истории криптография занималась лингвистическим анализом и решением головоломок, однако со второй половины XX века на первый план вышли математические методы.
В 1970-х сотрудники Стэнфордского университета Уитфилд Диффи, Мартин Хеллман и Ральф Меркл нашли формальное математическое решение проблемы обмена ключами. В нем они использовали модульные арифметические и односторонние функции (Ральф Меркл внес огромный вклад в развитие криптовалют как изобретатель одноименных деревьев).
Модульная арифметика занимается сравнением чисел по модулю и имеет дело с периодическими функциями, значения которых повторяются через некоторые интервалы. Например, остаток от деления 7 на 3 («по модулю 3») равен 1. Идею периодических функций помогает понять 12-часовой формат времени. Например, если сейчас 8:00 утра, то через 6 часов будет не 14:00 (как при 24-часовом формате), а 2:00 дня. Суть в том, что модульная арифметика ведет себя неинтуитивно и приводит к неожиданным результатам.
Односторонние функции обладают примечательной особенностью: они легко вычисляются для любого аргумента, однако по заданному конечному значению найти сам аргумент почти невозможно. Представьте тарелку супа в ресторане. Повар без особого труда приготовил его, следуя рецепту. Его можно попробовать на вкус и даже выявить некоторые составляющие, но без точного рецепта и набора ингредиентов сварить суп самостоятельно не получится.
В алгоритме Диффи-Хеллмана участники разглашают некоторую информацию о ключе, но сохраняют в тайне данные, позволяющие воспроизвести этот ключ. Ученые представили свою идею в июне 1976 года на Национальной компьютерной конференции.
Рождение асимметричной криптографии
Алгоритм Диффи-Хеллмана решает ключевую проблему обмена ключами, но по-прежнему использует симметричное шифрование.
Ознакомившись с решением Диффи-Хеллмана, Рон Ривест, Ади Шамир и Леонард Адельман из Массачусетского технологического института занялись поиском решения для асимметричного шифрования. В апреле 1977 года им это удалось. Созданный ими алгоритм получил аббревиатуру RSA по фамилиям авторов.
В асимметричном шифровании каждая из сторон публикует общедоступный открытый ключ. Другая сторона использует его для шифрования сообщений, декодировать которые может только владелец закрытого ключа. Проще говоря, открытый ключ — это число, полученное умножением двух чисел закрытого ключа. Если числа достаточно велики, установить их по полученному произведению будет очень трудоемко.
Шифрование для всех
В прошлом из-за высоких требований к мощности компьютера RSA-шифрование было доступно только избранным — правительству, военным, крупным корпорациям. Фил Циммерман решил открыть его для всех. Он разработал программу Pretty Good Privacy (PGP) и выложил ее в свободный доступ в июне 1991-го.
Циммерман обошел высокие требования к вычислительной мощности, характерные для асимметричного шифрования, реализовав гибридный алгоритм. Сообщение шифровалось симметричным ключом, затем тот кодировался асимметричными методами и отправлялся вместе с сообщением.
Привет, Хэл Финни!
Первым сотрудником, нанятым Филом Циммерманом, стал Хэл Финни. Финни первым же проявил интерес к концепции биткоина, предложенной в 2008 году неким Сатоси Сакамото.
В 1990-х ряд попыток создать частные цифровые деньги, защищенные асимметричным шифрованием, завершился провалом. Дэвид Чаум разработал DigiCash, однако все транзакции в его проекте проверялись централизованно. Проект потерпел неудачу, а компания в 1998 году объявила о банкротстве.
В 1997-м британский исследователь Адам Бек придумал HashCash. В этом проекте для создания новых монет использовался метод Proof-of-Work. HashCash провалился, поскольку монеты можно было использоваться только один раз: когда пользователь хотел что-либо купить, ему приходилось добывать новые монеты.
Хэл Финни решил проблему HashCash, предложив первую многоразовую систему Proof-of-Work (RPOW). Он попытался создать собственные цифровые деньги под названием CRASH (CRypto cASH), однако проект потерпел неудачу.
Возникновение биткоина
Хэл Финни стал первым после Накамото человеком, запустившим узел сети Bitcoin, и первым получателем платежа в биткоинах. Финни всячески поддерживал создателя биткоина:
«Представь, что биткоин станет доминирующим средством платежа в мире. Тогда общая капитализация криптовалюты должна сравняться со стоимостью всего богатства в мире… Даже если вероятность этого невелика, она все же существует. Здесь есть над чем подумать».
В августе 2009-го Финни диагностировали боковой амиотрофический склероз. 19 марта 2013 года он обратился к сообществу с прощальным посланием, в котором описал свой ранний опыт работы с биткоином:
«Спустя несколько дней сеть работала довольно стабильно, поэтому я оставил ее в покое. Тогда сложность равнялась единице, и блоки можно было добывать с помощью обычного центрального процессора. За следующие дни я создал несколько блоков. Затем я отключил компьютер, поскольку он сильно нагревался и доставал меня шумом вентиляторов… В следующий раз я вспомнил о биткоине в конце 2010-го, когда с удивлением обнаружил, что проект не только жив, но криптовалюта даже имеет определенную цену. Я загрузил свой старый кошелек и с облегчением обнаружил, что мои биткоины целы и невредимы. По мере роста цены я перевел монеты в автономный кошелек и надеюсь, что они принесут пользу моим наследникам».
Заключение
Развитие криптографии не остановилось на биткоине. В ее основе лежит современная математика, открывающая перспективы, которые невозможно было представить в середине прошлого века. Исследования продолжаются, и с появлением квантовых компьютеров возникают новые, уникальные возможности.
Помимо математики, важная часть современной криптографии — децентрализация. Каждый человек имеет право на конфиденциальность. Когда Ривест, Шамир и Адельман создали метод шифрования с открытыми ключами, доступ к нему имели только мощные и централизованные организации. Программа PGP Фила Циммермана значительно расширила спектр возможных применений и позволила любому человеку с персональным компьютером шифровать свои сообщения. Затем появился биткоин, неотъемлемой частью которого стала криптография с открытыми ключами.
Многие книги подробно описывают историю криптографии и специфику ее применения в криптовалютах. В произведении Саймона Сингха «Книга шифров» рассказывается об истории шифрования, насчитывающей более 20 веков.
Также можно порекомендовать книгу Натаниэля Поппера «Цифровое золото: невероятная история биткоина, или как идеалисты и бизнесмены изобретают деньги заново».