Блокчейны защищены с помощью различных механизмов, включающих передовые криптографические методы и математические модели поведения и принятия решений. Технология блокчейн является базовой структурой большинства криптовалютных систем и предотвращает дублирование или уничтожение этого вида цифровых денег.

Использование технологии блокчейна также изучается в других контекстах, где неизменность и безопасность данных имеют большое значение. Несколько примеров включают регистрацию и отслеживание благотворительных пожертвований, медицинские базы данных и управление цепочками поставок.

Однако безопасность блокчейна далека от простой темы. Поэтому важно понимать основные концепции и механизмы, которые обеспечивают надежную защиту этих инновационных систем.


Концепции неизменности и консенсуса

Хотя многие особенности влияют на безопасность, связанную с блокчейном, две из самых важных — это концепции консенсуса и неизменности. Консенсус относится к способности узлов в распределенной блокчейн-сети соглашаться о истинном состоянии сети и о действительности транзакций. Обычно процесс достижения консенсуса зависит от так называемых алгоритмов консенсуса.

Неизменность, с другой стороны, относится к способности блокчейнов предотвращать изменение уже подтвержденных транзакций. Хотя эти транзакции часто связаны с передачей криптовалют, они также могут относиться к записи других не денежных форм цифровых данных.

Совместно консенсус и неизменность предоставляют основу для безопасности данных в блокчейн-сетях. В то время как алгоритмы консенсуса гарантируют, что правила системы соблюдаются и что все заинтересованные стороны согласны с текущим состоянием сети, неизменность гарантирует целостность данных и записей транзакций после того, как каждый новый блок данных подтвержден как действительный.


Роль криптографии в безопасности блокчейна

Блокчейны сильно полагаются на криптографию для достижения безопасности данных. В этом контексте так называемые криптографические функции хеширования имеют основополагающее значение. Хеширование — это процесс, при котором алгоритм (функция хеширования) получает входные данные любого размера и возвращает выходные данные (хеш), которые имеют предсказуемый и фиксированный размер (или длину).

Независимо от размера входных данных, выход всегда будет одинаковой длины. Но если вход изменится, выход будет совершенно другим. Тем не менее, если вход не изменится, полученный хеш всегда будет одинаковым — независимо от того, сколько раз вы запускаете функцию хеширования.

Внутри блокчейнов эти значения выходных данных, известные как хеши, используются в качестве уникальных идентификаторов для блоков данных. Хеш каждого блока генерируется относительно хеша предыдущего блока, и это создает цепочку связанных блоков. Хеш блока зависит от данных, содержащихся в этом блоке, что означает, что любое изменение данных потребует изменения хеша блока.

Поэтому хеш каждого блока генерируется на основе как данных, содержащихся в этом блоке, так и хеша предыдущего блока. Эти идентификаторы хеша играют важную роль в обеспечении безопасности и неизменности блокчейна.

Хеширование также используется в алгоритмах консенсуса, применяемых для валидации транзакций. Например, в блокчейне Биткойн алгоритм Proof of Work (PoW) использует функцию хеширования под названием SHA-256. Как следует из названия, SHA-256 принимает данные на вход и возвращает хеш, который составляет 256 бит или 64 символа в длину.

В дополнение к обеспечению защиты записей транзакций в реестрах, криптография также играет роль в обеспечении безопасности кошельков, используемых для хранения единиц криптовалюты. Пары публичных и приватных ключей, которые соответственно позволяют пользователям получать и отправлять платежи, создаются с использованием асимметричной или публичной криптографии. Приватные ключи используются для генерации цифровых подписей для транзакций, что делает возможным аутентификацию владения монетами, которые отправляются.

Хотя детали выходят за рамки данной статьи, природа асимметричной криптографии предотвращает доступ к средствам, хранящимся в криптовалютном кошельке, для всех, кроме владельца закрытого ключа, тем самым сохраняя эти средства в безопасности, пока владелец не решит их потратить (при условии, что закрытый ключ не будет раскрыт или скомпрометирован).


Криптоэкономика

Помимо криптографии, относительно новая концепция, известная как криптоэкономика, также играет роль в поддержании безопасности блокчейн-сетей. Она связана с областью изучения, известной как теория игр, которая математически моделирует процесс принятия решений рациональными участниками в ситуациях с заранее определенными правилами и наградами. Хотя традиционная теория игр может быть широко применена к различным случаям, криптоэкономика конкретно моделирует и описывает поведение узлов в распределенных блокчейн-системах.

Кратко говоря, криптоэкономика — это изучение экономики внутри блокчейн-протоколов и возможных результатов, которые их дизайн может предложить на основе поведения участников. Безопасность через криптоэкономику основывается на понятии, что блокчейн-системы предоставляют большие стимулы для узлов действовать честно, чем для принятия злонамеренных или ошибочных действий. Еще раз, алгоритм консенсуса Proof of Work, используемый в майнинге биткойнов, является хорошим примером этой структуры стимулов.

Когда Сатоши Накамото создал структуру для майнинга биткойнов, она была намеренно разработана как затратный и ресурсоемкий процесс. Из-за своей сложности и вычислительных требований, майнинг PoW требует значительных инвестиций денег и времени — независимо от того, где и кто является узлом майнинга. Таким образом, такая структура предоставляет сильные сдерживающие факторы для злонамеренной активности и значительные стимулы для честной майнинговой деятельности. Нечестные или неэффективные узлы будут быстро исключены из блокчейн-сети, в то время как честные и эффективные майнеры имеют потенциал получать значительные блоковые вознаграждения.

Аналогично, этот баланс рисков и вознаграждений также обеспечивает защиту от потенциальных атак, которые могут подорвать консенсус, сосредоточив большинство хешрейта блокчейн-сети в руках одной группы или сущности. Такие атаки, известные как атаки на 51 процент, могут быть чрезвычайно разрушительными, если их удастся успешно выполнить. Из-за конкурентоспособности майнинга Proof of Work и величины сети Биткойн вероятность того, что злонамеренный актор получит контроль над большинством узлов, крайне минимальна.

Более того, стоимость вычислительной мощности, необходимая для достижения 51-процентного контроля над огромной блокчейн-сетью, была бы астрономической, что предоставляет немедленный сдерживающий фактор для таких крупных инвестиционных вложений ради относительно небольшой потенциальной награды. Этот факт способствует характеристике блокчейнов, известной как устойчивость к византийским ошибкам (BFT), которая по сути представляет собой способность распределенной системы продолжать работать нормально, даже если некоторые узлы становятся скомпрометированными или действуют злонамеренно.

Пока стоимость создания большинства злонамеренных узлов остается неприемлемой, а лучшее вознаграждение существует для честной деятельности, система сможет процветать без значительных нарушений. Однако стоит отметить, что небольшие блокчейн-сети определенно подвержены атакам большинства, поскольку общий хешрейт, выделенный для этих систем, значительно ниже, чем у Биткойна.


Заключительные мысли

Благодаря совместному использованию теории игр и криптографии, блокчейны способны достигать высоких уровней безопасности в качестве распределенных систем. Как и почти все системы, однако, критически важно, чтобы эти две области знаний были правильно применены. Осторожный баланс между децентрализацией и безопасностью жизненно важен для создания надежной и эффективной криптовалютной сети.

По мере того как использование блокчейна продолжает эволюционировать, их системы безопасности также будут изменяться, чтобы удовлетворять потребности различных приложений. Например, частные блокчейны, которые сейчас разрабатываются для бизнес-предприятий, значительно больше полагаются на безопасность через контроль доступа, чем на механизмы теории игр (или криптоэкономики), которые необходимы для безопасности большинства публичных блокчейнов.