Биткоин для всех. Популярно о первой распределенной одноранговой денежной системе

Долгое время традиционная криптография использовала шифрование с тайным или симметричным ключом – один и тот же ключ использовался как для шифрования, так и для расшифровки (дешифрования) данных.

Наглядно это можно представить в виде замка, которым запирался сундук с тайным сообщением. Пара одинаковых ключей к этому замку была как у отправителя сообщения (шифровальщика), так и у получателя (дешифровальщика).

Разумеется, в действительности никто не отправлял сообщения в запертых сундуках. Тексты, которые надо было зашифровать, видоизменялись с использованием тайного ключа – последовательности символов, которая, смешиваясь с передаваемым сообщением особым образом (называемым алгоритмом шифрования), приводила к получению шифровки (шифротекста) – сообщения, которое невозможно было прочитать, не зная алгоритма и ключа.

Шифрование с симметричным ключом[11 - Рисунок из книги Филиппа Циммерманна «Введение в криптографию».]

Но для наглядности процесса мы представим, что наше сообщение помещалось в некий прочный сундук и закрывалось надежным навесным замком, одинаковые ключи от которого были у обеих сторон – отправителя и получателя.

Вот этот ключ, которым запиралось (зашифровывалось) и открывалось (расшифровывалось) сообщение, назывался тайным симметричным ключом.

Проблема была в том, что при смене ключа (шифра) в целях безопасности, его необходимо было доставить получателю, который зачастую находился далеко и на враждебной территории. Передавать тайный ключ открытыми каналами связи было небезопасно.

Долгое время проблема безопасной передачи нового ключа (шифра) оставалась неразрешенной. Как правило, для этого использовали тайных курьеров, что не гарантировало на 100% того, что шифр (ключ) не попадет к нежелательным лицам, которые смогут им воспользоваться для дешифрования тайных сообщений.

Проблема с ключами была решена только в 1975 году, когда Уитфилд Диффи (Bailey Whitfield «Whit’ Diffie) и Мартин Хеллман (Martin E. Hellman) предложили концепцию шифрования с парой ключей: открытым (публичным – public key), который зашифровывает данные, и соответствующим ему закрытым (приватным – private key).

Эта система шифрования получила название криптографии с открытым ключом или асимметричной криптографии.

Работает эта система так:

1. Генерируется случайный закрытый (приватный) ключ (напомним, что ключ – это последовательность символов) и по определенному алгоритму подбирается к нему другой – открытый (публичный) ключ. При этом для любого закрытого ключа существует только один вариант открытого. Т.е. эти ключи (приватный и публичный) всегда работают в паре (связке).

2. Далее полученный открытый (публичный) ключ пересылается по любым открытым каналам связи отправителю тайного сообщения.

3. Получив открытый (публичный) ключ, отправитель при помощи него зашифровывает сообщение и отправляет его получателю, у которого есть соответствующий закрытый (приватный) ключ.

4. Получатель расшифровывает секретное сообщение, используя свой закрытый (приватный) ключ из пары с открытым (публичным), которым было зашифровано сообщение.

Следует отметить, что открытым (публичным) ключом можно только зашифровать сообщение, но расшифровать его уже этим ключом не получится. Для дешифрования нужен только закрытый (приватный) ключ из пары. Так работает алгоритм с асимметричным шифрованием.

Шифрование с асимметричным ключом

Но вернемся к нашему сундуку с сообщением. Как же теперь наглядно представить асимметричное шифрование? Как так можно – запирать одним ключом, а отпирать другим?

Представим себе навесной замок с двумя замочными скважинами и двумя ключами (см. рис. ниже) – левый ключ (1) через левую замочную скважину (1) может снимать фиксацию с левой половинки дуги замка, освобождая ее и открывая весь замок. Правый ключ (2) через правую замочную скважину (2) может фиксировать правую половинку дуги в замке, тем самым закрывая замок. Но после закрытия, этот ключ (2) не может уже освободить от фиксации правую часть дуги и тем самым открыть замок.

Первоначально замок с зафиксированной левой половинкой дуги (1) и расфиксированной правой (2), а также с ключом 2 (открытым) доставляется лицу, которое должно отправить тайное послание.

Получив замок и открытый ключ (2), отправитель навешивает его на сундук с тайным посланием и запирает его полученным ключом 2. Теперь сундук закрыт и даже отправитель не может его открыть, поскольку его ключ (2) может только зафиксировать правую часть дуги в замке, но не может освободить от фиксации.

Запертый замком сундук с тайным посланием отправляется получателю, у которого есть ключ (1), снимающий фиксацию левой половинки дуги и тем самым отпирающий замок. Но другие лица, даже если они будут иметь копию публичного ключа (2), открыть замок не смогут.

Получатель открывает замок ключом (1) и тайное послание прочитано!

Пользуясь терминологией асимметричной криптографии с открытым ключом, ключ 1 – это закрытый (приватный) ключ, а ключ 2 – это открытый (публичный) ключ.

В заключение отметим, что асимметричная криптография с открытым ключом получила широкое распространение не только в шифровании шпионских и дипломатических посланий. Асимметричную криптографию используют сайты с поддержкой протокола HTTPS[12 - HTTPS (HyperText Transfer Protocol Secure) – расширение веб-протокола HTTP для поддержки шифрования в целях повышения безопасности информации в WWW.], мессенджеры, Wi-Fi-роутеры, банковские системы и многое другое. На основе асимметричной криптографии базируется электронная подпись. Также на асимметричной криптографии построен алгоритм блокчейна, на котором, в свою очередь, построены все криптовалюты, включая Биткоин.

Электронная цифровая подпись: Просто и наглядно

Электронная цифровая подпись (ЭЦП) документа – это аналог обычной подписи, но возможности её гораздо шире.

Как работает ЭЦП? Как отправить по каналам связи (например, по электронной почте) заверенный и подписанный электронный документ? Попробуем разобраться…

С обычной бумажной почтой нет проблем – подписываете документ; заверяете его у нотариуса; отправляете заказным письмом. Всё! Ваш адресат, получив такое письмо, уверен, что документ подписан лично вами.

С электронной почтой (e-mail) так не получится. Конечно, можно отсканировать заверенный нотариусом документ и отправить его в виде файла, присоединенного к электронному письму. Но распечатка этого файла не будет легитимной.

Как же быть? На помощь приходит криптография!

Ранее в главе «Шифрование с открытым ключом: Наглядная иллюстрация» было рассказано об асимметричном шифровании, когда отправитель шифрует послание открытым (публичным) ключом, а получатель его расшифровывает соответствующим открытому закрытым (приватным) ключом.

У отправителя и получателя совершенно разные ключи, но они алгоритмически связаны – открытым (публичным) ключом можно только зашифровать (запереть) послание, а закрытым (приватным) – только расшифровать (отпереть).

Как это работает на примере с навесным замком с двумя замочными скважинами и двумя разными ключами было наглядно показано в вышеупомянутой главе.

А теперь представим ситуацию наоборот: отправитель зашифровывает (запирает) свое послание своим закрытым (приватным) ключом, а получатели могут расшифровать (отпереть) это послание соответствующим открытым (публичным) ключом, который они получили ранее от отправителя. Разумеется, эти ключи (приватный отправителя и публичный получателя) являются алгоритмически связанной парой – расшифровать послание можно только открытым ключом, который соответствует закрытому ключу отправителя.

Задача решена! Получатель по публичному ключу знает, что письмо отправлено конкретным отправителем, имеющим соответствующий приватный ключ.

Но в реальности нет необходимости зашифровывать само послание. Достаточно вычислить его хэш-код (см. главу «Хэширование: Просто и наглядно»), затем зашифровать этот хэш приватным ключом и присоединить к тексту сообщения. Вот этот зашифрованный хэш и есть ЭЦП – электронная цифровая подпись сообщения.

Получатель послания также вычисляет хэш-код сообщения и сравнивает его с расшифрованным публичным ключом ЭЦП. Если они совпадают, то всё нормально – письмо отправлено тем лицом, у которого есть соответствующий приватный ключ.

Но это еще не все! Использование хэширования послания позволяет также контролировать и его целостность – не были ли по пути к адресату в письмо внесены несанкционированные изменения?

Действительно, если расшифрованная ЭЦП не совпадает с хэшем текста послания, то из этого могут следовать две вещи:

1. Письмо подписал другой человек (публичный ключ не соответствует приватному).

2. В текст сообщения были внесены изменения после его отправки.

В любом случае, получатель не может считать принятое сообщение достоверным – оно подделано!

Остается вопрос: Как получатель сообщения узнает, каким публичным ключом надо расшифровывать ЭЦП? Ведь для каждого приватного ключа существует свой уникальный публичный ключ.

Для этого существуют т.н. хранилища сертификатов ЭЦП. Каждый отправитель документа подписанного ЭЦП должен получить в соответствующем органе специальный электронный сертификат вместе с приватным ключом, которым он будет зашифровывать хэши своих посланий. Этот сертификат – по сути электронный документ, содержащий открытый ключ и информацию о владельце ключа.

Орган, выдавший сертификат, является доверительной организацией, которая подтверждает, что соответствующий сертификат ЭЦП выдан конкретному установленному лицу.

Сертификат вместе с ЭЦП прикрепляется к отправляемому посланию и получатель по сертификату идентифицирует личность отправителя и получает публичный ключ, соответствующий приватному ключу отправителя.

Электронная цифровая подпись (ЭЦП) используются не только для отправки корреспонденции. При помощи ЭЦП заверяются документы (например, договоры), банковские операции и многое другое. Технология ЭЦП также используется в протоколах криптовалют, включая Биткоин.

Алгоритмы создания ЭЦП и её проверки.

Биткоин для «чайников»