Шифрование Биткоина построено на базе SHA-256 - специальном алгоритме, являющемся частью программного кода. Его задача в том, чтобы преобразовать входные данные в конкретный набор символов (в буквенном и цифровом отображении) и защитить информацию. Такие действия носят название хэширование. В чем тонкости указанного алгоритма? Для чего он необходим, и как работает? Каковы преимущества и недостатки? Эти и ряд других моментов рассмотрим подробно.

Какой алгоритм шифрования у Биткоина, и где он применяется?

При обсуждении криптовалюты, особенностей ее работы и майнинга участники криптосети неизбежно наталкиваются на столь распространенное определение, как алгоритм шифрования Биткоина. С дня разработки BTC и до сегодня (13 августа 2018 года) используется SHA-256, необходимая для решения таких задач в Bitcoin-сети:

1. Формирование адресов BTC (применяются для прохождения транзакций).
2. Майнинг (доказательство работы).
3. Достижение необходимой степени безопасности и анонимности.
4. Для цифровой подписи и ее распознавания.

Алгоритм SHA-256 актуален не только для Биткоина, но и для иных коинов, а именно Биткоин Кэш, Мазакоин, Пиркоин, Неймкоин и других криптовалют. Кроме того, SHA-2 (основа SHA-256) используется при создании многих протоколов, предназначенных для защиты данных в Сети, а именно SSL, TSL и других.

Алгоритм хэширования Bitcoin необходим для контроля информации посредством ее анализа и своевременного выявления неточностей. После обработки данных и перевода в хэш обратное получение сведений невозможно. Если взять уже зашифрованный файл BTC, сделать повторные вычисления и убедиться, что параметры хэшей идентичны, можно быть уверенным в отсутствии изменений в первоначальных сведениях. Если данные расходятся, это свидетельствует о взломе системы.

Алгоритм шифрования Биткоин - принцип работы простыми словами

В основе SHA-2 лежит структура, созданная Мерклом и Дамгардом. Особенность хэш-функции, применяемой в криптографии, заключается в нестандартном подходе при ее формировании. Входящие данные делятся на идентичные по величине блоки, после чего созданные элементы преобразуются в 16-ричное число. Именно с ними впоследствии производятся вычисления. К полученному значению применяется хэш-функция, а результатом обработки является хэш-сумма, появляющаяся на выходе. Она представляет собой набор символов, представленных в буквенном и цифровом отображении. По сути, это и есть хэш.

Очередной блок строится по описанному выше принципу. При этом новый процесс запускается после создания прошлого элемента. Если в первоначальные данные внесены правки, хэш меняется. В случае, когда идентичные параметры хэш-функции вдруг оказались в различных блоках, имеет место конфликтная ситуация в работе алгоритма. При появлении такого несоответствия вся цепочка blockchain подвергается сомнению.

Так, для создания цифровой подписи применяется хэш-функция. Если возникает рассмотренная выше ситуация, высока вероятность подделки подписи. Для вычисления таких сбоев (коллизий) используется специальная методика, подразумевающая перебор данных, что увеличивает стойкость хэш-функции.

Корректность шифрования Bitcoin контролируется четырьмя требованиями:

1. При внесении правок во входящие данные хэш-сумма остается прежней.
2. Во время хэширования получается индивидуальная хэш-сумма (набор символов должен быть уникальным).
3. Создание ключа с применением хэширования максимально усложнено.
4. Хэши имеют необратимый характер. Это означает, что разрешена работа с входными данными без возможности осуществления обратного действия.

Как это применяется в Биткоине?

Задача узлов криптовалютной сети заключается в том, чтобы в многочисленных транзакциях найти ту, которая устраивает его по всем параметрам. При оценке вариантов первоначальное внимание уделяется размеру комиссионных (к слову, по этой причине операции с большей комиссией проходят быстрее). Далее проверяется операция, изучаются данные на входе и выходе, уточняется оригинальность цифровой подписи.

Как только рассмотренная работа выполнена, создаётся очередной элемент Биткоин-цепи (блок) с определенным размером (для рассматриваемой криптовалюты - 1 мегабайт). Полученные узлы состоят из версии, времени формирования, двух хэшей (прошлого блока и входящих сделок), а также дополнительных параметров, обеспечивающих уникальность (bits и nonce). В комплексе созданный блок множество раз хэшируется, в результате чего формируется заглавный хэш, который для «старого» элемента цепи играет роль выхода, а для нового - входа.

Допустим, что в наборе хэша присутствует конкретное число «0» (к примеру, nonce равен 17). Подобрать такое значение, применяя только перебор значений, крайне трудно. Именно этот аспект обеспечивает надёжность сведений в blockchain-сети и ее защиту от взлома. Чтобы создать хэш, необходимы огромные мощности, без которых найти требуемый набор символов невозможно. Как только эта работа завершена, а параметр отыскан, он направляется к элементам криптосети с вновь созданным блоком и найденным хэшем с 17-ю «0». Далее все участники Биткоин-сети проверяют хэш, объединяя набор с символов со сведениями из блока. При отсутствии коллизии в цепочке блокчейн появляется новый элемент.

Когда появился алгоритм шифрования Bitcoin - краткая история

Термин «SHA» представляет собой аббревиатуру трех слов: «Secure Hashing Algorithm». В Биткоине используется SHA-256, а «основой» упомянутой хэш-функции является SHA-2, в состав которого входят многие криптоалгоритмы (в том числе 256).

Создателями SHA-2 является АНБ Соединенных Штатов - специальное агентство, занимающееся вопросами нацбезопасности страны. После разработки и проверки алгоритм в 2002 году он был представлен обществу. В состав нового SHA-2 вошла и 1-ая хэш-функция SHA-1 (создана на 7 лет ранее - в 1995-м). После появления SHA-2 было выпущено множество вариантов алгоритма, один из которых применен Сатоши Накамото при создании Биткоина в 2009 году.

Целью разработчиков был выпуск алгоритма, обеспечивающего формирование из случайного набора символов конкретного значения, имеющего определенную длину. У них это получилось. В дальнейшем полученный параметр применятся для идентификации (проверки) информации. Первоначальная задача SHA-2 заключается в защите данных на разных сервисах, а сегодня (в 2018-м) SHA-256 известен в первую очередь как алгоритм, применяемый при добыче коинов.

В 2012 году система была усовершенствована и появилась обновленная версия хэш-функции - SHA-3. Считается, что со временем новая разработка вытеснит прежние алгоритмы, что улучшит и без того высокую степень безопасности.

Характеристики алгоритма шифрования Биткоина

Суть SHA-256 проста. Первоначальное сообщение после внесения дополнения делится на блоки, а каждый из них на 16 слов. Полученные элементы проходят через специальные циклы, подразумевающие 64 или 80 этапов. На каждом из них происходит преобразования двух слов, а опцию преобразования формируют оставшиеся слова. Итоговые параметры суммируются, что и образует хэш.

В процессе работы алгоритма применяется 6 команд:

• «xor» - удаляет «ИЛИ».
• «shr» - смещает показатель на требуемое количество бит вправо с конкретной периодичностью.
• «rots» - смещает показатель на требуемое количество бит вправо (без применения конкретного цикла).
• «II» - соединение элементов, имеющих линейный характер.
• «and» - «И».
• «+» - слежение.

Характеристики протокола:

1. Верхний предел продолжительности сообщения - 33 Б.
2. Максимальный параметр скорости - 139 MiB/s.
3. Размер слова - 4 Б.
4. Количество повторов в цикле - 64.
5. Размер блочного элемента - 64 Б.
6. Величина общего хэш-кода - 32 Б.

Алгоритм шифрования Bitcoin в майнинге

При осуществлении расчетов в пределах майнинга корректность получаемого хэш-кода определяется по количеству нулей в начале строчки. К примеру, если этот параметр равен 17, вероятность поиска такого числа крайне низка и составляет где-то 1:1,4*10 в 20-й степени. Не удивительно, что для майнинга Bitcoin требуется применение мощного оборудования и большие затраты электроэнергии. При этом оптимизация поиска нужного хэша невозможна, ведь после приёма блока информации на выходе появляется случайное число.

Сложность добычи виртуальной монеты в том, чтобы найти необходимый хэш и сформировать очередной блок. Для реализации такой цели применяется стандартный перебор значений, для чего необходимо высокопроизводительное оборудование. Как упоминалось, ведется поиск не простого хэша, а значения, впереди которого находится большое количество «0-ей».

Добыча криптовалюты на SHA-256 представляет собой комплекс мер, направленных на решение определенной криптозадачи. В случае с Биткоином для майнинга используется следующее оборудование:

1. С момента появления BTC в 2009-м, а также до середины 2010 года было актуально применение центрального процессора (CPU).
2. До середины 2011 года майнеры задействовали компьютеры с видеокартами (GPU).
3. До начала 2013 года были популярны FGPA, а также фермы на графических процессорах.
4. В 2014-м появились асики. По производительности они затмили существующее оборудование. Несмотря на это, до начала 2017 года майнеры использовали фермы на GPU и работали в пулах, но к концу 2017-го и до сегодняшних дней актуальны только -майнеры. Применение иного оборудования нерентабельно.

Упомянутые аппараты применяются для того, чтобы подобрать интересующую хэш-функцию и сформировать новый . Чем выше хэшрейт (мощь вычисления) аппарата, тем быстрее происходит перебор данных и тем меньше времени требуется на поиск решения.

С ростом конкуренции и выпуском более производительных майнеров повышается и , параметр которой меняется с периодичностью раз в 2 недели.

Слабые и сильные стороны алгоритма хэширования Биткоина

Выше мы рассмотрели, какой алгоритм хеширования у Биткоина, и в чем его особенности. Это SHA-256, который считается наиболее распространенным алгоритмом с высоким уровнем надежности и сравнительно простым принципом работы. Он имеет высокую устойчивость к взлому и позволяет добывать коины на любом оборудовании (в зависимости от параметров сложности).

Несмотря на ряд положительных качеств, алгоритм хэширования Bitcoin имеет ряд слабых мест:

1. Контроль со стороны участников добычи BTC. Здесь работает идентичный принцип, как и в акционерных обществах (АО), когда участники компании имеют определенное число акций. Чем большие мощности сосредоточены в руках майнеров криптосети, тем сильнее их воздействие на общую систему. Кроме того, из-за растущей сложности добычи в 2018 году заметна тенденция перехода майнинга из рук частных майнеров под контроль крупных организаций, занимающихся созданием оборудования для добычи виртуальных монет. Для получения Биткоинов частный майнер должен тратить крупные суммы на покупку асиков, подключаться к одному из пулов и платить за электроэнергию. Если экономить на оборудовании, добыча теряет рентабельность.
2. Следствием рассмотренной выше ситуации является тот факт, что «львиная» доля Биткоинов концентрируется в руках собственников крупных майнинговых компаний. Если взять во внимание, что не все полученные Bitcoin попадают в продажу, такие организации превращаются в инвесторов и хранителей монет. В результате число коинов в обороте снижается. Кроме того, накопление криптовалюты позволяет влиять на децентрализацию, а также курсовую стоимость BTC в процессе торгов.
3. Алгоритм SHA-256 из-за имеющихся недостатков постепенно отходит в прошлое, а на его место приходят более совершенные проекты. К примеру, популярность набирают Scrypt, Ethash, Blake-256, Equihash и другие. Новые алгоритмы имеют лучшую защиту и уровень безопасности, что вынудило создателей многих криптовалют отказываться от устаревшего SHA-256 в пользу более совершенных технологий.
4. Несмотря на исправление главных ошибок, которые были выявлены разработчиками, некоторые уязвимости убрать не удалось (в 2008 году было найдены коллизии для 22 итераций). Вот почему разработка SHA продолжилась, а на смену второй версии пришел SHA-3.

В 2009 году был вынужден использовать SHA-256, ведь на период создания криптовалюты правительство штатов приняло данной протокол. В тот период он активно использовался для защиты данных в некоторых государственных программах, также задействовался в коммерческом секторе. Получилось, что протокол создавали для решения одних задач, но в реальности он востребован совершенно в ином русле.

Для наглядности сведем в таблицу позитивные и отрицательные черты алгоритма шифрования Биткоина.

Преимущества	Недостатки
Широкое распространение (в том числе в криптовалютном секторе). Протокол SHA активно применяется в повседневной сфере для защиты информации.	Потеря децентрализации. Мощности концентрируются в руках майнинговых компаний.
Надежная защита от взлома.	Итерация в SHA имеет простую структуру, что со временем привело к росту сложности добычи. На август 2018-го для майнинга Биткоинов можно использовать только асики с высокой производительностью.
Удобство в вопросах добычи коинов, универсальность в вопросе выбора техники для майнинга.	Появляются новые алгоритмы, которые имеют более совершенную структуру.
Во втором варианте (SHA-2) создателям удалось устранить ряд недоработок, негативно влияющих на надежность системы.	Несмотря на активную работу над ошибками, удалить многие недостатки так и не удалось. Не удивительно, что разработчики создали новую версию SHA-3.
Протокол принят на законодательном уровне в США.

На сегодняшний день почти не применяется при разработке новых криптовалют. Наиболее ярким примером монеты, где ещё используется SHA-256, является Bitcoin Cash - форк Bitcoin, появившийся в августе 2017-го. Но в ситуации с этой монетой применение SHA больше необходимость, чем выбор создателей. Что касается самого Bitcoin, использование протокола этой серии обусловлено отсутствуем альтернатив у Сатоши Накамото.

Сегодня, в 2018 году, ведется много разговоров о совершенствовании этого алгоритма и внесении правок в криптовалютную сеть, но пока такие намерения не находят физической реализации и остаются лишь в виде предложений.

Видео о криптографических функциях и алгоритмах:

С ростом популярности криптовалюты все больше и больше людей начинают воспринимать ее как перспективный финансовый инструмент. Однако, мало кто задумывается какую ценность она представляет для научно-технического прогресса. Ведь чтобы вникнуть в суть данного явления необходимо пробраться сквозь настоящие дебри криптографических понятий, а также непривычных и таинственных аббревиатур вроде SHA-256. О ней и пойдет речь в сегодняшней статье.

Что такое майнинг?

Майнинг - главная составляющая защитного механизма любой цифровой валюты. Принцип действия состоит в группировании майнерами совершенной операции в 1 блок, который уже преобразовали огромное количество раз для установления исключительного редкого хеш-кода, отвечающего особым требованиям. Если подобное значение отыскивается, блок майнится и добавляется в блокчейн монеты. Такая вычислительная деятельность не дает какой-либо пользы кроме повышения сложности генерации необходимого блока. С другой стороны, только благодаря ей пользователи электронной валюты могут быть уверены, что их площадка не будет взята под контроль и централизована.

Стандартная хеш-функция принимает на вход блок с определенной информацией, выдавая на выходе случайное и непредсказуемое значение. Она разработана таким образом, что не существует оптимального метода найти требуемый показатель, вам нужно снова и снова продолжать перебор до тех пор, пока не отыщите подходящий хеш-код.

Одним из самых популярных протоколов вычисления является SHA-256. Именно его использует первая криптовалюта в мире - Биткоин. Причем для повышения уровня безопасности алгоритм задействуется 2 раза и именуется уже двойным.

В Bitcoin критерием пригодности хеша считается необходимое количество «0» в его начале. Обнаружить подобное значение также невероятно трудно, как, например, отыскать номер автомобиля или сотового, кончающегося на пару 0. Разумеется, сделать такое для хеш-функции в много раз сложнее. В настоящее время, правильное значение должно включать приблизительно 17 начальных нулей, чему соответствует лишь одно из 1,4 умноженное на 10 в 20 степени. Проводя сравнение, отыскать подобный хеш значительно сложнее, нежели отыскать определенную песчинку среди всей нескончаемой массы песка на планете.

Первоначальная версия алгоритма SHA-256 была создана Агентством национальной безопасности США весной 2002 года. Спустя несколько месяцев Национальный метрологический университет опубликовал новоявленный протокол шифрования в принятом на федеральном уровне стандарте безопасной обработки данных FIPS PUB 180-2. Зимой 2004 года он пополнился второй версией алгоритма.

В течение следующих 3 лет АНБ выпустила патент на SHA второго поколения под лицензией Royalty-free. Именно это дало старт применению технологии в гражданских сферах.

Обратите внимание! Довольно интересный факт: каждый пользователь Всемирной паутины, сам того не зная, во время своих путешествий по интернету пользуется данным протоколом. Посещение любого веб-ресурса, защищенного сертификатом безопасности SSL, автоматически запускает выполнение алгоритма SHA-256.

Данный протокол работает с информацией, раздробленный на части по 512 бит (или другими словами 64 байта). Он производит ее криптографическое «смешивание», а затем выдаёт 256-битный хеш-код. В состав алгоритма входит сравнительно простой раунд, который повторяется 64 раза.

Кроме того, SHA-256 имеет довольно неплохие технические параметры:

• Показатель размера блока (байт) – 64.
• Предельно допустимая длина сообщения (байт) – 33.
• Характеристика размера дайджеста сообщения (байт) – 32.
• Стандартный размер слова (байт) – 4.
• Параметр длины внутреннего положения (байт) – 32.
• Число итераций в одном цикле – всего 64.
• Достигаемая протоколом скорость (MiB/s) – примерно 140.

Работа алгоритма SHA-256 базируется на методе построения Меркла-Дамгарда, в соответствии с которым начальный показатель сразу после внесенного изменения разделяется на блоки, а те, в свою очередь, на 16 слов.

Набор данных проходит сквозь цикл, насчитывающий 80 или 64 итерации. Каждый этап характеризуется запуском хеширования из составляющих блок слов. Пара из них обрабатываются инструментарием функции. Далее результаты преобразования складываются, выдав в итоге верный показатель хеш-кода. Для генерации очередного блока используется значение предыдущего. Преобразовывать их отдельно друг от друга не получится.

Также стоит упомянуть 6 битовых операций, на основе которых функционирует протокол:

• «and» - побитовая операция «И»;
• «shr» - перемещает значение на требуемое количество бит вправо;
• «rots» - команда аналогичная по действию предыдущий, с той лишь разницей, что осуществляется циклический сдвиг;
• «||» или конкатенация - операция соединения частей линейной структуры, чаще всего строк;
• «xor» - команда, убирающая «ИЛИ»;
• «+» - обыкновенная операция сложения.

Как можно заметить, довольно типичный для любого алгоритма шифрования набор операций.

Дабы определить ценность данного алгоритма, необходимо обратиться к криптоанализу. Это дисциплина находит методы расшифровки информации без применения специализированного ключа.

Первые исследования SHA-256 на присутствие уязвимостей начали осуществляться специалистами с 2003 года. На тот момент ошибок в протоколе обнаружено не было.

Однако, уже в середине 2008 года группа экспертов из Индии смогла отыскать коллизии для 22 итераций архитектур семейства SHA. Через несколько месяцев был предложен способ разработки коллизий для усеченного варианта протокола, а затем и для 31 итерации хеширования непосредственного самого SHA-256.

Во время анализа функции свертки осуществляется тестирование ее сопротивляемости к 2 разновидностям атак:

1. Наличие прообраза - дешифрование начального сообщения по его хеш-коду. Сопротивляемость подобному типу воздействия гарантирует надежную защиту результатам преобразования.
2. Нахождение коллизий - схожие выходные данные при различных входных характеристиках. От устойчивости к такой разновидности атак находится в прямой зависимости защищенность электронной подписи с использованием актуального протокола.

Создатели второго поколения алгоритма SHA решили, что новый механизм шифрования будет функционировать на основе совершенно других принципов. Так, осенью 2012 года на свет появился протокол третьей серии - Keccak.

Практическое применение и сертификация технологии

Законодательством Соединенных Штатов Америки разрешается использование SHA-256 и прочих аналогичных методов хеширования в определенных государственных программах для защиты сведений. Кроме того, допускается применение алгоритма коммерческими компаниями.

Важно! Поэтому нет ничего удивительного в том, что данный протокол был использован в первой цифровой валюте. Выпуск новых монет Биткоина совершается путем нахождения строк по их указанной архитектуре SHA-256.

Как это сказывается на специализированных устройствах для добычи криптовалюты? Каждый шаг в этом алгоритме имеет довольно простой вид - примитивная битовая операция и 32-битное сложение (любой, кто знаком с основами схемотехники, сможет без труда представить, как подобное выглядит в железе). А потому для эффективной работы асик-майнеров нужно лишь располагать десятком блоков выполнения этапов алгоритма.

В противовес Bitcoin, Лайткоин, Догикоин и прочие схожие «коины» используют протокол шифрования Scrypt, который оснащен функцией повышения сложности. Данный алгоритм в ходе деятельности сохраняет 1024 различных значения хеш-функций, а уже на выходе соединяет их и получает преобразованный результат. Благодаря этому для реализации протокола нужны несравнимо большие вычислительные мощности.

Вывод

Подводя итог, можно сказать, что протокол SHA-256 оказался чересчур легким и сегодня имеется целое множество специализированных девайсов (так называемые майнеры), которые успешно обходят его. С их появлением отпала необходимость майнить на процессоре или собирать фермы из видеокарт, поскольку ASIC-устройства позволяют своим владельцам заработать намного больше. Однако, у этого есть и обратная сторона. Использование майнеров слишком сильно централизует криптовалюту, а значит, необходимо внедрение новых протоколов хеширования. Таким алгоритмом стал Scrypt - куда более продвинутый защитный механизм, который требует значительной производительности и поэтому теоретически лишает специальные приборы особого преимущества.

С позиции рядового пользователя нет никакой разницы между протоколами SHA-256 и Scrypt. Можно майнить цифровую валюту своим компьютером или фермой на любом из данных протоколов.

Алгоритм SHA-256 на сегодняшний день занимает более 40% всего рынка, однако, вне всякого сомнения, имеются и другие. И в скором времени они потеснят прославленного предшественника. Так, из сравнительно свежих необходимо упомянуть об особенно «майнероустойчивом» протоколе Dagger, который собираются использовать в децентрализованной площадке Эфириум. Возможно, именно он примет эстафету лидера в области хеширования и займет место SHA-256.

Для чего создавался SHA — 256

SHA 256 — сокращение от Secure Hashing Algorithm — это популярный криптографический алгоритм хэширования , разработанный National Security Agency — Агентством национальной безопасности США . Задача SHA — 256 состоит в том , чтобы сделать из случайного набора данных определённые значения с фиксированной длиной , которое послужит идентификатором этих данных .

Полученное значение сравнивается с дубликатами исходных данных , извлечь которые невозможно . Основная сфера применения алгоритма — использование в различных приложениях или сервисах , связанных с защитой информации , где функция и получила широкое распространение . Также она используется как технология для майнинга криптовалют .

Этот алгоритм относится к группе шифровальных алгоритмов SHA — 2 , которые в свою очередь разработаны на базе алгоритма SHA — 1 , впервые созданного в 1995 году для использования в гражданских целях . Сам SHA — 2 разработан Агентством национальной безопасности США весной 2002 года. В течение трёх лет АНБ США выпустили патент на использование технологии SHA в гражданских проектах .

В 2012 году в Национальном институте стандартов и технологий создан обновлённый вариант алгоритма : SHA — 3 . Со временем новый алгоритм будет вытеснять как текущий основной алгоритм SHA — 2 , так и уже устаревший , но ещё используемый SHA — 1 .

Хэш — сумма не является технологией шифрования данных в классическом понимании , этим обусловлена невозможность расшифровки данных в обратную сторону . Это односторонняя шифровка для любого количества данных . Все алгоритмы SHA базируются на методе Меркла — Дамгарда : данные разделяют на равномерные группы , каждая из которых проходит через одностороннюю функцию сжатия . В результате этого длина данных уменьшается .

У такого метода есть два значительных достоинства :

• быстрая скорость шифрования и практически невозможная расшифровка без ключей;
• минимальный риск появления коллизий (одинаковых образов ).

Где ещё используется

Ежедневно каждый пользователь Сети , зная или нет , использует SHA — 256 : сертификат безопасности SSL , которым защищён каждый веб — сайт , включает в себя алгоритм SHA — 256 . Это необходимо для установления и аутентификации защищённого соединения с сайтом .

Плюсы SHA — 256

SHA — 256 — самый распространённый алгоритм майнинга среди всех остальных . Он зарекомендовал себя как устойчивый к взломам (за редким исключением ) и эффективный алгоритм как для задач майнинга , так и для других целей .

Минусы SHA — 256

Главным недостатком SHA — 256 является его подконтрольность майнерам : обладатели самых больших вычислительных мощностей получают большую часть криптовалюты , что исключает один из основополагающих принципов криптовалют — децентрализованность .

После того как крупные инвесторы начали вкладывать деньги в вычислительные мощности для промышленного майнинга биткоина , сложность майнинга многократно выросла и стала требовать исключительных вычислительных мощностей . Этот недостаток исправлен в других протоколах , более современных и « заточенных » под использование в майнинге криптовалют , таких как Scrypt . Несмотря на то, что сегодня SHA — 256 занимает большую часть рынка криптовалют , он будет ослаблять своё влияние в пользу более защищённых и продвинутых протоколов .

Через какое-то время алгоритмы SHA — 1 перестали давать необходимый уровень надёжности из — за вероятного возникновения коллизий . SHA — 256 , как и SHA — 512 более защищены от этого недостатка , но вероятность возникновения все равно присутствует .

Использование в криптовалютах

Майнинг на SHA — 256

Майнинг на SHA — 256 , как и на любом другом алгоритме — это процесс решения какой — либо сложной криптографической задачи , которую генерирует программа для майнинга на основе данных с предыдущих блоков .

Майнить с использованием функции SHA — 256 можно тремя способами :

• CPU (центральный процессор );
• GPU (графический процессор );
• специализированный процессор : ASIC.

В майнинге хэш — сумма используется в качестве идентификатора уже имеющихся блоков и создания новых на основе предыдущих . Процесс майнинга отображается в интерфейсе в виде « accepted f33ae3bc9 …». Где f33ae3bc9 — это хэш — сумма , часть данных , предназначенная для дешифровки . Основной блок состоит из огромного количества подобных хэш — сумм .

То есть , майнинг с алгоритмом SHA — 256 представляет собой безостановочный подбор правильного значения хэш — суммы , перебор чисел для создания нового блока . Чем больше ваши вычислительные мощности , тем больше шансов получить правильный блок : скорость перебора различных хэш — сумм зависит от мощностей .

Ввиду того , что Bitcoin построен на алгоритме SHA — 256 , для конкурентоспособного майнинга на нём необходимы крайне большие вычислительные мощности . Это связано с тем , что для майнинга биткоина достаточно давно налажено производство « асиков » — application specific integrated circuit , т . е . интегральная схема специального назначения . Асики позволяют майнить биткоины и другие криптовалюты на алгоритме SHA — 256 гораздо быстрее , эффективнее и дешевле .

Какие криптовалюты используют алгоритм SHA — 256

SHA — 256 это классический алгоритм для криптовалют : на нем построена основная криптовалюта — Bitcoin . Соответственно , и в форках биткоина используется этот алгоритм : в Bitcoin Cash , Gold , Diamond .

Помимо них , SHA — 256 используется также в :

• Steemit;
• DigiByte;
• PeerCoin;
• NameCoin;
• TeckCoin;
• Ocoin;
• Zetacoin;
• EmerCoin.

Также алгоритм SHA-256 используется как подпрограмма в криптовалюте Litecoin, а основным алгоритмом для майнинга там является Scrypt.

Ушедший 2017 год стал годом взрывной популярности криптовалют и такого же стремительного роста курса «главной» криптомонеты Bitcoin. Эти обстоятельства подогрели интерес не только к спекуляциям и майнингу, но и к самой сути явления. Все больше людей желают докопаться до сути – как же это все работает?

Мы открываем серию материалов, в которых постараемся в максимально доступной форме объяснить, что стоит за этими загадочными акронимами вроде Scrypt, SHA-256, Х11 и прочими. Начнем с важнейшего (но не самого лучшего) для мира криптовалют алгоритма — SHA-256. Именно он является основой разработки Bitcoin. Но перед этим определимся с ключевой терминологией – определим значения терминов «майнинг» и «хэш».

Что такое майнинг?

Вопреки распространенному мнению, майнинг – это не только и не столько добыча самих криптографических денежных знаков, сколько меры по защите этой самой криптовалюты от мошеннический действий. Речь не только о подделке – еще более важной является защита, к примеру, от повторного использования одним и тем же человеком одних и тех же монет. Заработок новых криптомонет при этом тесно сопряжен с их эмиссией и формируется из вознаграждения за нахождение нового блока, отвечающего условиям алгоритма майнинга.

То есть, для того, чтобы «появилась» очередная криптомонета, нужно провести целый комплекс сложнейших вычислений, и найти тот самый заветный «правильный» блок. Этим и занимаются энтузиасты на своем оборудовании. Схема сама себя поддерживает – чтобы повысить защиту криптовалюты и эмитировать новые единицы, необходим майнинг, а чтобы им был смысл заниматься, майнеры получают вознаграждение.

Вкратце, программное обеспечение для майнинга группирует совершенные прежде вычислительные операции в единый блок, который затем преобразовывается немыслимое количество раз для обнаружения хеш-кода особого вида. Обнаружить такой хеш-код, который бы отвечал требованиям алгоритма тем сложнее, чем больше участников вовлечено в процесс. «Правильный» хеш крайне редок, и его обнаружение сродни выигрышу в лотерею.

Что такое хэш?

Выше был упомянут далеко не каждому понятный термин «хеш». Это одно из фундаментальных понятий в шифровании вообще и в алгоритме SHA-256 в частности. Разъясним, что это значит, и пройдемся по важнейших сопутствующих моментах.

Итак, хеширование – это процесс превращения входящего набора данных произвольного объема в исходящую цифровую строку. Это превращение осуществляется по заранее разработанному алгоритму, а исходящая строка полностью уникальна, и служит неким «отпечатком» входящего массива. Именно эту строку и называют хеш-суммой, хеш-кодом или просто хешем. А алгоритм превращения – это хеш-функция.

Приведем пример. Мы можем «скормить» хеш-функции, скажем, текст романа в стихах А. С. Пушкина «Евгений Онегин», и получим на выходе шестнадцатеричный код приблизительно такого вида:. Обратно «развернуть» этот код и превратить его в «Евгения Онегина», конечно же, нельзя. Но стоит только в поэме поменять один-единственный знак, даже просто добавить один пробел, как результирующий хеш преобразится до неузнаваемости. Объем тоже никак не влияет на длину хеш-кода. Так, можно подать на вход функции один символ «а», и на выходе получится точно такой же набор псевдослучайных символов ровно такой же длины.

Теперь подробнее о том, зачем это нужно, и какие по ходу дела возникают сложности. Все интересующиеся темой знают, что майнинг криптовалют на протоколе SHA-256 может осуществляться посредством мощностей центрального процессора, графической карты или специализированного ASIC-устройства. Собственно, в разрезе Биткойна, первый способ уже совершенно не актуален, а майнинг видеокартами доживает свои последние времена. Слишком значительно возросла сложность вычислений, и полумеры уже не подходят.

В интерфейсе программного обеспечения для майнинга процессы преобразования блоков в хеш-суммы отображаются в виде лаконичной строки вида «Accepted 0aef59a3b». Блок может состоять из тысяч или даже сотен тысяч подобных строк, но только одна может служить той самой «подписью» блока, в поиске которой и заключается суть майнинга.

Поиск правильного хеша осуществляется простым перебором результатов решения огромного числа задач. В алгоритме SHA-256 «правильность» хеша определяется количеством нулей в начале хеш-суммы. Вероятность узнать такой хеш-код путем определенных алгоритмом вычислений ничтожно мала – один шанс на миллионы решений. Точная вероятность определяется текущим уровнем сложности в децентрализованной системе конкретной криптовалюты.

Примечательный факт. С алгоритмом SHA-256 каждый из нас неоднократно имел дело, сам того не подозревая, даже безотносительно майнинга криптовалют. Речь о сертификате безопасности SSL, которым защищены очень многие веб-сайты. При посещении такого сайта вы автоматически взаимодействуете с SHA-256, на котором построена работа SSL.

Особенности протокола SHA-256

Для начала немного истории. Изначально алгоритм шифрования SHA-256, вернее, его прототип, был придуман в стенах «зловещего» АНБ (Агентства национальной безопасности США) в теперь уже далеком 2002 году. Уже через пару месяцев он был видоизменен и официально представлен Национальным метрологическим университетом на федеральном уровне. Через два года вышла его вторая, усовершенствованная версия.

Последующие три года Агентство работало над улучшением алгоритма и в конце концов издало патент на его вторую редакцию. Это было сделано под лицензией Royalty-free, что и дало возможность применять новейшую технологию в «мирных» целях.

В конечном счете SHA-256 лег в основу создания первой в мире криптовалюты – Bitcoin. При этом протокол задействуется дважды для повышения защиты.

При проведении вычислений в рамках майнинга в системе Bitcoin признаком пригодности получаемого хеш-кода является число нулей в начале строки. По состоянию на конец 17-го, начало 18-го годов количество требуемых начальных нулей равно 17 (+/-). Вероятность обнаружения такого кода составляет приблизительно 1 к 1.4*10 20 . Это чудовищно малое число, не поддающееся осмыслению и сравнимое с вероятностью отыскать песчинку определенной формы на всех песчаных пляжах нашей планеты. Вот почему майнинг Биткойна требует таких огромных вычислительных мощностей и столько электроэнергии.

Не существует какого-либо способа оптимизировать поиск «правильного» хеша. В протоколе SHA-256 хеш-функция, принимая блок данных, выдает на выходе совершенно непредсказуемое значение. Поэтому нужна итерация (повторение) за итерацией, пока подходящий код не будет найден, еще раз подчеркнем – абсолютно случайным образом .

Теперь мы вынуждены немного «подгрузить» читателя сложной технической информацией, иначе наш рассказ о SHA-256 будет неполным. Если совсем ничего не понятно – просто переходите к следующему разделу статьи.

Работа протокола подразумевает разбиение информации на фрагменты по 512 бит каждый (или 64 байта, что то же самое, так как 1 байт = 8 бит). Затем происходит криптографическое «перемешивание» по заложенной в алгоритме схеме, и на выходе издается хеш-код размером в 256 бит. Операция хеширования производится в 64 итерации, что относительно немного, особенно на фоне новых появившихся криптографических алгоритмов.

Основные технические параметры SHA-256 следующие:

• Размер блока: 64 байт;
• Максимальная длина сообщения: 33 байт;
• Размер результирующего хеш-кода: 32 байт;
• Количество повторений в одном раунде: 64;
• Максимальная скорость: около 140 MiB/s (мебибайт в секунду).

В своей работе алгоритм использует известную методику Меркла-Дамгарда, которая подразумевает разделение начального показателя на блоки сразу после внесения изменений. Блоки, в свою очередь, делятся на 16 слов каждый.

Массив данных проходит через раунд из 64 повторений. Каждое из них запускает процесс хеширования слов, составляющих блок. Пары слов обрабатываются функцией, после чего полученные результаты складываются, и получается корректный хеш-код. Каждый следующий блок вычисляется на основе значения предыдущего. Это безразрывный процесс – вычислять блоки отдельно друг от друга невозможно.

Эволюция SHA-256

Чтобы осознать криптографическую ценность данного алгоритма, снова обратимся к истории. Всерьез испытывать его на прочность начали практически сразу после создания – в 2003 году. Делом занимались профессионалы, но никаких уязвимостей или ошибок найдено не было.

Прошло целых пять лет, когда в 2008 году индийские эксперты все-таки смогли выявить коллизии для целых 22 итераций. Через несколько месяцев упорной работы было предложено успешное решение проблемы.

В ходе анализа работы функциональной части алгоритма тестировалась его устойчивость к двум видам возможных способов обрушения защиты:

• через прообраз: имеется в виду обратное дешифрование изначального сообщения на основе только хеш-строки;
• через обнаружение коллизий: здесь подразумеваются совпадение исходящих данных при условии различия входящих сообщений. То есть, входящие блоки разные, а исходящий хеш одинаков – такого быть не должно.

После того как первая версия SHA-256 провалила испытания по второму признаку, разработчики решили создавать новый механизм шифрования, основанный на кардинально иных принципах. Что и было сделано – в 2012 году был представлен протокол нового поколения, полностью лишенных вышеописанных недостатков.

Недостатки алгоритма

То, что разработчикам удалось исправить собственные ошибки, отнюдь не значит, что SHA-256 им получилось довести до совершенства. Протокол избавился от явных уязвимостей, но его «родные» недостатки остались.

Применение SHA-256 в качестве основы Биткойна стало возможным не в последнюю очередь благодаря тому, что само законодательство США лояльно относилось к этому протоколу. Его разрешалось применять для защиты данных в некоторых госпрограммах, а также допускалось использование в коммерческой сфере.

Отсюда и проистекает ирония судьбы – протокол создавался для одних целей, а наиболее широкое применение нашел в совершенно других. И для тех, первых целей он был более чем эффективным и целесообразным. А вот, для криптовалют оказался слишком простым. Шутка ли, когда в том же Китае уже существуют даже не фермы, а целые «заводы», забитые асик-майнерами.

Каждая итерация в рамках алгоритма выглядит довольно примитивно – элементарная двоичная операция плюс 32-разрядное сложение. Именно поэтому асики на SHA-256 появились столь молниеносно, умножив на ноль все надежды «домашних» майнеров, располагающих только процессором и парочкой видеокарт.

Времена и условия сильно меняются, и протоколу SHA-256 уверенно наступают на пятки другие, более совершенные решения. Тот же Scrypt в процессе вычислений фиксирует сначала 1024 разных хеш-строк, и только после этого проводит сложение и получает окончательный результат. Это несоизмеримо более сложная схема с высочайшими показателями защиты и безопасности криптовалюты.

Резюме

Алгоритм шифрования SHA-256 считался вполне эффективны и надежным до тех пор, пока не начался бум на криптовалюты. На сегодняшний день становится ясно, что на фоне новых решений он уже выглядит довольно слабо. Настолько, что это дало возможность создать специальные устройства, «заточенные» строго на его обход. Это и есть те самые ASIC-майнеры, которые фактически уничтожили майнинг на центральных процессорах и уже добивают майнинг на видеокартах.

Казалось бы, ничего плохого в этом нет – здоровая конкуренция ведь. Но на самом деле использование асиков довольно ощутимо централизует криптовалюту, тем самым нивелируя саму ее идею. Этот факт не мог не подтолкнуть талантливых энтузиастов к созданию новых, более совершенных алгоритмов хеширования. И они не заставили себя ждать.

Протокол SHA-256 на нынешний момент занимает львиную долю рынка криптовалют, но новые альтернативы его уже сейчас уверенно теснят. Например, вторая по популярности и «дороговизне» крипта – Ethereum использует протокол Ethash, который раньше назывался Dagger. Протокол настолько хорош, что Ethereum по сей день держит максимальную децентрализацию, и ASIC-майнеров для его добычи до сих пор не существует в природе. Возможно, именно Ethash придет на смену явно морально устаревшему SHA-256.

Одним из первых альтернативных алгоритмов стал Scrypt, на котором основана одна из самых популярных альткоинов – Litecoin. Это гораздо более продвинутое решение, которое уже не дает асикам таких бесспорных преимуществ. Тем не менее, сверхприбыли от майнинга заставили специалистов Поднебесной вложить массу усилий в разработку технологических решений под Scrypt, и асики на этом протоколе все-таки появились.

Если рассматривать майнинг с позиции обывателя, не искушенного в технических нюансах, то никакой разницы между алгоритмами Scrypt и SHA-256 он не почувствует. Асики на обоих протоколах выглядят почти одинаково, потребляют приблизительно столько же электроэнергии и совершенно одинаково завывают вентиляторами. Другое дело – курсы криптовалют, которые эти самые асики добывают, но это уже совсем другая история.

Следующий материал в рамках данной темы мы посвятим упомянутому альтернативному протоколу шифрования Scrypt.

Известно, что криптовалюты генерируются путем майнинга, он же является основным моментом в создании защиты сети блокчейн. Майнинг криптовалют основан на использовании алгоритма хеширования SHA-2. Благодаря этому алгоритму производится добыча основной криптовалюты Bitcoin и обеспечивается его безопасность. SHA-2 также используется для майнинга альткоинов: Bitcoin Cash, Bitcoin Gold, Litecoin Cash, Auroracoin и других. На алгоритме SHA-2 базируются некоторые протоколы передачи защищенной информации, TLS, SSH, PGP, в том числе протоколы TCP/IP для передачи данных в Интернете.

Алгоритм безопасного хеширования SHA-2 (Secure Hash Algorithm Version 2) представляет собой совокупность криптографических хеш-функций, направленных на шифрование информации с целью ее защиты. Одной из хеш-функций алгоритма SHA-2 является SHA-256, которая используется для майнинга криптовалют.

Как и любая хеш-функция, SHA-256 представляет собой часть программного кода, которая преобразует входящую информацию в последовательность определенной длины, состоящую из букв и цифр. Этот процесс преобразования называется хешированием (от англ. hashing – рубить, запутывать).

Особенности протокола SHA-256

Хеш-функция алгоритма SHA-2 основана на структуре Меркла-Дамгарда, которая названа в честь ее создателей. Метод построения криптографической хеш-функции заключается в разбиении входной информации на блоки одинакового размера, а каждого блока на шестнадцатеричное число, с которым можно выполнять математические действия. Применив к ним хеш-функцию, в результате 64 или 80 итераций (повторяющейся обработки данных), на выходе получаем хеш-сумму - последовательность заданной длины из букв и цифр, именуемую также хешем, образом, слепком, хеш-кодом.

Последующий блок, согласно применяемому методу, начинает обрабатываться только после получения выхода предыдущего. И если во входящую информацию внести самое незначительное изменение, хеш уже будет не тот. При одинаковых значениях хеш-функции в разных блоках информации может возникнуть коллизия (конфликт в работе хеш-функции). Поскольку хеш-функции в процессе добычи криптовалют подтверждают неизменность входящей информации, то в случае быстрого нахождения коллизии сразу же дискредитируется надежность и безопасность всей сети блокчейн. К примеру, цифровая подпись создается с помощью хеш-функции. В случае обнаружения коллизии эту подпись можно подделать. Для вычисления коллизии применяется метод вычислительной сложности полный перебор, который повышает криптостойкость хеш-функции и пока считается самым быстрым.

Чистоту работы алгоритма, т.е. его работу без коллизий, определяет четыре нормативных требования:

1. При изменении входящей информации хеш-сумма должна измениться.

2. В процессе хеширования необходимо получить уникальную хеш-сумму.

3. Хеши должны быть необратимы, т.е. можно работать с входящей информацией, но нельзя выполнить обратный процесс.

4. Должна быть максимально усложнена генерация ключа с помощью хеширования.

Каждый узел одноранговой сети криптовалюты должен «выловить» из транзакций в сети интересующую его (прежде всего, суммой комиссионных) транзакцию, и провести ее верификацию: проверить вход, выход и подлинность электронной подписи. Затем начать формировать блок заданной емкости, для Bitcoin - 1Мб. Кроме версии и времени создания блок включает хеш входящих в него транзакций, хеш предыдущего блока, nonce и bits – специальные параметры, которые выражают условие для создания уникального хеша. Вместе они подвергаются многократному хешированию и генерируют хеш заглавия формируемого блока, который станет его выходом, а для последующего блока входом.

Представим, что в начале хеша должно быть определенное количество нулей, например, nonce =18. Найти такой хеш невероятно сложно, используя метод перебора. Но это-то как раз и гарантирует защищенность информации в сети блокчейн. Для генерации хеша блока потребуется просто гигантское количество переборов чисел. Но как только число найдено, оно передается по узлам сети вместе с готовым блоком и полученным хешем с 18 нулями. Каждый участник сети проверяет хеш, склеивая число с данными из блока. Если протокол Proof of Work реализован, блок устанавливается в конце самой длинной ветки блокчейна.

В 2003 году протокол впервые попал под прожектор внимания специалистов. Его исследованием были заняты команды разработчиков по всему миру. Основным вектором работы был поиск уязвимостей, однако вплоть до 2008 года никто не мог обнаружить ни одной проблемы. Впервые сделать прорыв удалось специалистам из Индии. В ходе их исследований было выявлено 22 уязвимости, для которых впоследствии были предложены варианты решения.

Технические данные SHA-256

Размер блока в байтах – 64.

Максимальная длина сообщения в байтах – 33.

Дайджест сообщений в байтах – 32.

Размер слова из расчета в байтах – 4.

Внутреннее положение (длина) в байтах – 32.

Максимальное число итераций из расчета за один цикл – 64.

Удельная скорость протокола (MiB/s) ≈ 140.

Метод работы алгоритма SHA-256 подразумевает деление начального показателя после внесения в него каких-либо коррективов на блоки. Последние, в дальнейшем, претерпевают деление на 16 слов.

Битовые операции протокола представлены следующим образом:

and - смысловое значение «и»;

shr - отображает перемещение выбранного значения на заданное количество бит вправо;

rots - основным значением является принудительный циклический сдвиг;

|| - позволяет соединять линейные структуры (основным элементов, на которое оказывается воздействие, являются строки);

xor - значение, ввод которого устраняет команду «или»;

Стандартное соединение значений (прибавление).

Представленный набор операций можно назвать стандартным – в нем отсутствуют какие-либо особенные функции, которые бы выделялись из общего числа.

Важно! Высокий уровень изученности алгоритма стал опорой для его продвижения в программировании. Доказательством доверия является официальное разрешение со стороны правительства США на применение SHA-256 в качестве алгоритма для защиты информации.

Для его работы, в противовес алгоритму Scrypt, требуется меньше вычислительной мощности. Однако SHA-256 представляется чрезмерно простым для обхода со стороны асиков. Соответственно, алгоритм является прямой угрозой децентрализации криптовалют. На фоне представленных данных, Scrypt выглядит более современным и эффективным решением.

Подводим итоги

Таким образом, вполне вероятно, что Scrypt и прочие более современные алгоритмы в ближайшем будущем смогут потеснить SHA-256, который занимает более трети от общего рыночного объема на данный момент. Уже много криптовалют используют для майнинга или .