Систематизация знаний по используемой криптографии в блокчейне. Введение.

Недавно (20 июня 2019 года) на Cryptology ePrint Archive была опубликована статья "SoK of Used Cryptography in Blockchain". Данный пост - второй в запланированной серии, содержащей любительский перевод этой статьи.

Систематизация знаний по используемой криптографии в блокчейне

(перевод с английского

статьи

Mayank Raikwar, Danilo Gligoroski and Katina Kralevska

SoK of Used Cryptography in Blockchain

Cryptology ePrint Archive, Report 2019/735

https://eprint.iacr.org/2019/735)

Аннотация

(перевод аннотации здесь)

1 Введение

Блокчейн, распределенный реестр, управляемый одноранговой сетью, коллективно соблюдающей некоторый протокол консенсуса, бесспорно расматривается как новая и прорывная технология. Основанные на этой новой технологии новые решения некоторых старых проблем в большой степени оказывают влияние на научное сообщество и на производственный сектор. Успех идеи блокчейна в конечном итоге связан с финансовым успехом биткоина [1], который был разработан всего десять лет назад, и последующей лавиной из более чем 2140 других криптовалют, которые все вместе создали финансовый рынок на сумму около $ 285 млрд (по состоянию на 16 июня 2019 года) [2].

Мы можем проследить истоки идей использовать криптографию для безопасных и конфиденциальных транзакций для оплаты доступа к базам данных, оплаты услуг таких как онлайн игры, перевода денег через Интернет, Интернет-магазины и другую коммерческую деятельность еще в 1990 - х годах в системе eCash Дэвида Чаума (David Chaum) [3]. Одной из отрицательных сторон eCash было то, что она была централизованной системой, контролируемой доверенным третьим лицом. Еще одним препятствием для более широкого признания eCash был факт, что она была охвачена длинным перечнем запатентованных алгоритмов – то, что рассматривается как большое препятствие для принятия среди криптосообщества.

Параллельно, в 1990-х годах мы наблюдали развитие нескольких криптографических идей не напрямую связанные, но так или иначе все еще связанные с идеями использования криптографии в финансовых операциях. Мы упоминаем некоторые из них, такие как предложение от Дворк (Dwork) и Наор (Naor) о том, как бороться со спамом [4], которое было опубликовано в 1992 году и которое использовало вычислительно затратные функции. Затем в 1996 году, было предложение Ривеста(Rivest), Шамир (Shamir) и Вагнера(Wagner) криптографических головоломок с временным замком [5] с помощью RSA на основе дорогостоящих вычислений центрального процессора. В конце 90-х и начале 2000-х несколько свободных от патентов криптографических идей были предложены, реализованы и выпущены в качестве проектов с открытым исходным кодомонлайн движением и сообществом криптографов и программистов, известным как ”киберпанки” (”Cypherpunks”) [6]. В число этих криптографических идей и реализацийвходят предложение Адама Бэка(Adam Back) ”hashcash", валюты, основанной на сложности нахождения частичных хэш-коллизий [7], ”b-money” Вэй Дай (Wei Dai) [8] и предложение Ника Сабо (Nick Szabo) ”Bitgold" [9] (Ник Сабо также был частью команды разработчиков eCash в конце 90-х.). Эти понятия составили основу децентрализованной криптовалюты Сатоши Накамото, ныне известной как биткоин [1], [10]. Как признание их новаторской деятельности в децентрализованных криптовалютах, Ethereum [11] - вторая по популярности криптовалюта - назвала три своих номинала ”Wei”, ”Szabo” и ”Finney” [12] (Хэл Финни был шифропанком и получателем первой биткойн-транзакции в размере 10 биткойнов от анонимного Сатоши Накамото [13].).

Лежащая в основе Биткойна технология — это блокчейн. Блокчейн - это распределенный реестр, поддерживающий постоянно растущий список записей данных, подтвержденных всеми участвующими узлами. Данные записываются в этот общедоступный реестр в виде блоков валидных транзакций, и этот общедоступный реестр является общим и доступным для всех узлов. Блокчейн рассматривается как перспективная и мощная технология, но она по-прежнему сталкивается со многими исследовательскими задачами. Одними из основных задач являются постоянное повышение его безопасности и конфиденциальности, управление ключами, масштабируемость, анализ новых атак, управление смарт-контрактами, а также постепенное внедрение новых криптографических функций в существующие блокчейны. Эти задачи возникают в связи со структурой сети и основными механизмами консенсуса и криптографическими схемами, используемыми в блокчейнах. Чтобы решить эти задачи и найти усовершенствованные решения, тщательно изучаются и применяются многие криптографические понятия, такие как схемы подписи, доказательства нулевого знания, и протоколы обязательств. Поскольку криптография - это обширная область исследований, всегда есть возможность найти новые криптографические схемы для улучшения решений в блокчейне.Большинство текущих исследований в блокчейне сосредоточено на поиске и определении усовершенствований для текущих процессов и процедур, в основном в отраслях, которые зависят от посредников, в том числе банковское дело, финансы, недвижимость, страхование, процедуры правовой системы и здравоохранение.В исследовании по бизнес-инновациям через блокчейн [14] представлены некоторые бизнес-приложения с использованием блокчейна и их реализации. Эти приложения, применяющие блокчейн, по-прежнему нуждаются в верном способе выбора криптографической техники, используемой в их соответствующем решении, чтобы соответствовать требованиям бизнеса.Не только эти блокчейн приложения, но и исследовательское сообщество выиграют от обзора в форме систематизации текущего состояния знаний всех доступных криптографических понятий, которые были применены или могут быть применены в существующих и будущих решениях блокчейн.Насколько нам известно, это первая систематизация знаний, которая дает полное представление о существующих криптографических понятиях, связанных с блокчейном. Мы попытались описать большинство криптографических понятий в области блокчейна. Хотя существуют различные работы об отдельных криптографических понятиях , используемых в блокчейне, существует только несколько работ, которые объединяют все эти отдельные работы и представляют их в единой статье. Большинство обзорных работ, таких как [15], [16], обсуждают безопасность, конфиденциальность, консенсус или другие проблемы в блокчейне. Недавняя работа Ван (Wang) и др. [17] дает всесторонний анализ криптографических примитивов в блокчейн. Их анализ представляет функциональность и использование этих примитивов в блокчейне. Однако анализ основан только на существующих криптовалютах и в нем отсутствуют многие криптографические протоколы, которые используются в блокчейне.