Criptografia 101: A chave para o desenvolvimento de blockchain para iniciantes

 Introdução

Visão geral da criptografia

Este texto fornece uma visão geral do papel da criptografia na tecnologia blockchain e discute vários tópicos relacionados a ela. O texto começa explicando que a criptografia é essencial para proteger os dados e manter a confiança nas aplicações blockchain. Em seguida, abrange vários aspectos importantes da implementação de soluções criptográficas eficazes, como o uso de algoritmos de criptografia fortes, criptografia de ponta a ponta e carimbos de data/hora para evitar ataques de repetição.

No nosso cenário digital moderno, onde abundam os perigos, a criptografia serve como uma barreira protetora. É a arte de proteger a comunicação para garantir que os dados sensíveis sejam acessíveis apenas a indivíduos autorizados. Historicamente, a criptografia envolvia transformar mensagens em uma forma irreconhecível para transmissão e, em seguida, decodificá-las de volta em texto legível no destinatário.

A criptografia contemporânea fez avanços significativos, integrando harmoniosamente a ciência da computação e a matemática. Os algoritmos elaborados de maneira complexa abordam problemas complexos, tornando-os extremamente difíceis de decifrar. Embora teoricamente possam ser solucionados, eles se mostram impraticáveis ​​de serem resolvidos dentro de um prazo razoável. Esta robustez é vital para proteger dados sensíveis, manter a privacidade e verificar identidades.

Criptografia na tecnologia Blockchain 

No domínio da tecnologia blockchain, a criptografia desempenha um papel crucial. A segurança dos sistemas blockchain depende em grande parte disso. A sua ausência prejudicaria o progresso da inovação da blockchain. É assim que funciona: a criptografia serve como base para medidas robustas de segurança na tecnologia blockchain.

• Transações Seguras: A criptografia garante que as transações sejam seguras e protegidas.
• Criptografia: As mensagens e as informações importantes sobre transações são codificadas exclusivamente e podem ser decodificadas apenas pelo destinatário pretendido.
• Blocos de hash: os blocos no blockchain são criptografados usando uma função de hash única, porém aleatória, que ajuda a verificá-los e protegê-los.
  A criptografia protege as transações entre os nós da rede, protegendo a privacidade dos usuários e a integridade dos dados. Em essência, a criptografia é a espinha dorsal da segurança do blockchain.

Contexto histórico e evolução

Uma breve história

A conhecida história de Alice, Bob e Eva ilustra um conceito criptográfico comum: Alice e Bob trocam mensagens, enquanto Eva tenta interceptá-las. Esta anedota sublinha os fundamentos históricos da criptografia, que inicialmente se concentrava em garantir a confidencialidade das mensagens. No passado, a criptografia envolvia principalmente a codificação de mensagens para impedir a escuta e a decodificação após o recebimento. No entanto, a criptografia moderna expandiu seu escopo, incorporando princípios de diversas disciplinas da ciência da computação, como complexidade computacional, teoria da informação, teoria dos números e combinatória.

Impacto no Blockchain

Blockchains representam plataformas descentralizadas que priorizam a segurança e a privacidade acima de tudo. Em sua essência está a criptografia, um componente crítico da tecnologia blockchain. Avanços importantes em criptografia, incluindo funções hash, criptografia de chave pública, assinaturas digitais e prova de trabalho, reforçam significativamente a segurança e a autenticidade desses sistemas. Estas inovações servem para salvaguardar e manter a confiabilidade das redes blockchain.

Conceitos criptográficos essenciais para desenvolvedores

Criptografia e Descriptografia

Como pesquisador na área de criptografia, posso explicar que a criptografia envolve a conversão de texto não criptografado em uma forma codificada chamada texto cifrado. A descriptografia, por outro lado, é o processo de decodificação ou tradução do texto cifrado de volta ao seu formato original de texto não criptografado. Esses dois processos essenciais constituem a base dos sistemas de segurança criptográfica. Historicamente, estas técnicas têm sido amplamente adoptadas por organizações militares e outras devido à sua fiabilidade incomparável na salvaguarda de informações confidenciais.

Criptografia simétrica vs. assimétrica

• Simétrico: Este método usa a mesma chave para criptografia e descriptografia. Conhecida como criptografia de chave secreta, ela é frequentemente implementada por meio de sistemas como o Data Encryption Standard (DES). Somente indivíduos com acesso à chave secreta podem descriptografar os dados. A criptografia simétrica é eficiente para criptografar grandes quantidades de dados e é comumente usada na segurança de sites. Ele transfere dados rapidamente e requer menos poder computacional.

• Assimétrica: Também conhecida como criptografia de chave pública, esse método usa duas chaves diferentes: pública e privada. A chave pública é usada para compartilhar informações com outras pessoas, enquanto a chave privada é usada para descriptografar mensagens e verificar assinaturas digitais. Este método é mais lento e requer mais poder de processamento, mas é crucial para autenticação do servidor web e comunicação segura. Ao contrário das chaves simétricas, você pode derivar a chave pública da chave privada, mas não vice-versa. Os exemplos incluem criptografia de curva elíptica (ECC) e padrão de assinatura digital (DSS).

Funções hash criptográficas

No domínio da ciência da computação, as funções hash representam uma técnica amplamente utilizada para manter a integridade dos dados sem depender de chaves. Essas funções geram uma saída consistente e de tamanho fixo a partir de qualquer dado de entrada, que normalmente é uma sequência de caracteres aparentemente aleatórios. As funções hash têm uma importância significativa na tecnologia blockchain, onde são empregadas para vincular blocos e proteger a segurança e a autenticidade dos dados contidos neles.

Principais propriedades das funções hash:

• Determinismo:Uma entrada única específica sempre tem o mesmo hash exclusivo.
• Resistência à colisão: É assustador descobrir duas entradas diferentes do mesmo hash.
• Efeito Avalanche: Qualquer pequena mudança na mensagem ou sequência de entrada pode alterar completamente a função Hash.

Funções específicas do Blockchain:

Funções hash como SHA-256 e MD5 desempenham papéis cruciais na segurança de sistemas blockchain. Por exemplo, o Bitcoin emprega SHA-256 para manter a segurança e autenticidade das transações. A importância das funções hash reside na sua capacidade de evitar alterações não autorizadas de dados, diminuir os requisitos de largura de banda e agilizar os processos de autenticação de dados.

 Assinaturas digitais e sua importância

Como analista de assinaturas digitais, explicaria que as assinaturas digitais servem como um elemento crucial na validação da autenticidade e na garantia da integridade das transações digitais. Ao empregar minha chave privada junto com os dados transacionais, gero uma assinatura distinta usando um algoritmo atribuído. O destinatário pode então autenticar a assinatura utilizando minha chave pública para verificação, confirmando assim a legitimidade e o status inalterado da transação.

No contexto da tecnologia blockchain, cada transação é autenticada usando a chave privada exclusiva do remetente e depois confirmada através da sua chave pública disponível publicamente antes de ser registrada na cadeia.

Chaves públicas e privadas: a espinha dorsal da segurança Blockchain

Geração de par de chaves

Em termos mais simples, algoritmos criptográficos como criptografia de curva elíptica (ECC), algoritmo de assinatura digital (DSA) e Rivest-Shamir-Adleman (RSA) são usados ​​para criar pares de chaves públicas e privadas. O ECC é frequentemente escolhido porque requer menos bits para o tamanho da sua chave. As chaves privadas precisam de ser salvaguardadas, pois devem permanecer confidenciais, enquanto as chaves públicas podem ser distribuídas gratuitamente. Dispositivos chamados Módulos de Segurança de Hardware (HSMs) auxiliam na proteção de chaves privadas, e ter backups é crucial para evitar a perda de dados.

Função nas transações

Em termos simples, tanto as chaves privadas como as públicas desempenham papéis essenciais na salvaguarda e confirmação da autenticidade das transações. A chave privada é responsável por gerar assinaturas, enquanto a chave pública serve para autenticar essas assinaturas, mantendo assim a integridade de cada transação.

Gerenciamento de carteira

Como pesquisador, eu descreveria desta forma: No domínio da tecnologia blockchain, descobri que as chaves, essenciais para acessar ativos digitais, são armazenadas com segurança no que chamamos de carteiras. Essas carteiras podem assumir duas formas distintas: baseadas em software e baseadas em hardware. A primeira refere-se a carteiras digitais instaladas em um computador ou dispositivo móvel, enquanto a segunda é um dispositivo físico projetado especificamente para esse fim.

• Hot Wallets: São carteiras online conectadas à internet, como carteiras móveis ou web, que são convenientes para transações frequentes.
• Cold Wallets são soluções de armazenamento off-line, como carteiras de hardware ou de papel, que oferecem segurança aprimorada para ativos de longo prazo.

Para garantir segurança máxima para sua carteira blockchain, empregue as seguintes medidas: Use criptografia de alto nível, juntamente com senhas e frases secretas complexas. Adote protocolos com múltiplas assinaturas que necessitam de múltiplas chaves privadas para aprovação de transações. Habilite a autenticação de dois fatores (2FA) como uma camada protetora adicional. Faça backup regularmente de suas frases iniciais e chaves privadas em locais de armazenamento offline seguros. Selecione carteiras confiáveis, conhecidas por seus recursos de segurança robustos. Acima de tudo, nunca revele a sua chave privada; em vez disso, proteja-o com uma proteção robusta por senha.

 Algoritmos de consenso que aproveitam a criptografia

Prova de Trabalho (PoW):

No ambiente descentralizado denominado Prova de Trabalho (PoW), os participantes, conhecidos como mineiros, participam de uma competição para decifrar enigmas criptográficos complexos. Após a resolução bem-sucedida desses enigmas, um minerador recebe o privilégio de anexar o bloco subsequente à inflexível cadeia de dados, chamada blockchain. Este afortunado mineiro é recompensado pelo seu esforço. O processo envolve a aplicação de funções hashing para garantir a segurança e integridade do blockchain. A complexidade desses enigmas garante que o blockchain permaneça robusto contra possíveis ataques e regule o ritmo em que novos blocos são incorporados.

Prova de participação (PoS):

No Proof of Stake (PoS), os validadores são selecionados para criar novos blocos não apenas pela quantidade de moedas que possuem, mas também considerando fatores como a idade dessas moedas e um grau de aleatoriedade. O processo de seleção prioriza validadores com menor valor de hash e maior valor de stake. PoS consome menos energia em comparação com Prova de Trabalho (PoW).

“Métodos adicionais para alcançar consenso em sistemas distribuídos incluem Prova de Participação Delegada (DPoS), onde os delegados são escolhidos através de eleições e a reputação desempenha um papel na verificação de transações, e Tolerância Prática a Falhas Bizantinas (PBFT), empregada para garantir acordo em redes blockchain. “

Aplicações práticas de criptografia no desenvolvimento de Blockchain

Proteger transações 

A criptografia é vital para proteger transações através de vários métodos:

• Assinaturas Digitais: Garantir autenticidade, integridade e não repúdio das transações.
• Criptografia: Mantém a confidencialidade das transações.
• Funções Hash: Verifique se os dados permanecem inalterados; qualquer alteração nos detalhes da transação interrompe a função hash.

Contratos inteligentes 

Os princípios criptográficos garantem que os contratos inteligentes sejam seguros e confiáveis:

• Autorização: Gerenciada por meio de assinaturas digitais.
• Integridade: Garantida por hashing, que evita adulterações.
• Previsibilidade: A execução determinística garante desempenho confiável do contrato.
• Confidencialidade: mantida por meio de criptografia, restringindo o acesso apenas a partes autorizadas.

Desenvolvimento de DApps

A criptografia é essencial no desenvolvimento de aplicativos descentralizados (DApps) seguros:

• Autenticação de usuário: usa criptografia de chave pública em vez de IDs de usuário tradicionais para login contínuo.
• Segurança de dados: Garantida por técnicas de criptografia e hashing.
• Segurança de transações: gerenciada por meio de assinaturas digitais.

Os exemplos incluem plataformas DeFi e DApps de gerenciamento da cadeia de suprimentos.

Ataques criptográficos comuns e estratégias de mitigação

Tipos de ataques 

• Ataque de força bruta: os invasores tentam todas as combinações possíveis para quebrar a criptografia. Senhas fracas ou curtas são particularmente vulneráveis.
• Ataque Man-in-the-Middle (MitM): um invasor intercepta a comunicação entre o remetente e o destinatário, potencialmente alterando dados e violando a segurança.
• Ataque de repetição: transações fraudulentas usam dados válidos de transações anteriores para retransmitir ou repetir transações sem autorização.

Técnicas de mitigação

• Use criptografia forte: Empregue chaves longas e alterne-as regularmente.
• Armazenamento seguro de chaves: use módulos de segurança de hardware (HSMs) e restrinja o acesso.
• Ativar autenticação de dois fatores (2FA): adiciona uma camada extra de segurança.
• Use certificados digitais: evita ataques man-in-the-middle.
• Use chaves complexas: certifique-se de que as chaves sejam imprevisíveis e complexas.
• Implementar criptografia ponta a ponta: protege os dados durante toda a jornada.
• Usar carimbos de data/hora: evita ataques de repetição rastreando quando as transações ocorrem.

Tendências Futuras em Criptografia para Blockchain

Criptografia pós-quântica 

Como analista quantitativo, tenho acompanhado de perto os desenvolvimentos na computação quântica, que representa uma ameaça significativa aos métodos de criptografia atuais, como criptografia de curva elíptica (ECC) e RSA. Os computadores quânticos utilizam qubits e mecânica avançada que podem quebrar esses algoritmos de criptografia. Para mitigar este risco, os investigadores estão a trabalhar diligentemente na criptografia pós-quântica – algoritmos inovadores concebidos para resistir a ataques quânticos. Alguns exemplos promissores de algoritmos resistentes a quânticos incluem criptografia polinomial baseada em rede, baseada em hash e multivariada.

Padrões criptográficos em evolução

As normas criptográficas adaptam-se persistentemente para enfrentar os riscos de segurança emergentes. É crucial que os desenvolvedores se mantenham atualizados sobre os novos desenvolvimentos neste campo para manter uma segurança eficaz em seus projetos de blockchain. A educação contínua, a adesão a metodologias comprovadas e a participação ativa na comunidade criptográfica são componentes vitais para a criação de soluções robustas.

Guia prático de implementação 

Ferramentas e bibliotecas 

Aqui estão algumas ferramentas e bibliotecas amplamente utilizadas para implementar criptografia:

• OpenSSL: um kit de ferramentas de código aberto comumente usado para implementação de SSL/TLS.
• Bouncy Castle: Uma coleção de APIs que fornecem funções criptográficas leves e provedores de Java Cryptography Extension (JCE).
• Libsodium: Uma biblioteca criptográfica popular conhecida por sua facilidade de uso e fortes recursos de segurança.
• PyCryptodome: Um pacote Python para operações criptográficas de baixo nível.
• web3.js e ether.js: bibliotecas JavaScript são usadas para interagir com o blockchain Ethereum.

Exemplos de trechos de código:

Este trecho de código mostra: 

Geração de par de chaves usando OpenSSL:

#Gerar uma chave privada

openssl genpkey -algoritmo RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

# Extraia a chave pública

openssl rsa -pubout -in private_key.pem -out public_key.pem

Hash:

# Faça hash de um arquivo usando SHA-256

openssl dgst -sha256 arquivo.txt

Assinando uma transação:

da importação Crypto.Signature pkcs1_15

da importação Crypto.Hash SHA256

mensagem = b’transação Blockchain’

hash_obj = SHA256.new(mensagem)

assinatura = pkcs1_15.new(chave_privada).sign(hash_obj)

Conclusão 

Como pesquisador que se aprofunda nas complexidades da tecnologia blockchain, não posso enfatizar o suficiente o papel indispensável que a criptografia desempenha para garantir a confiança, a integridade e a segurança nessas aplicações. Ao dominar os avanços mais recentes e acompanhar as tendências neste campo, os desenvolvedores podem construir aplicativos descentralizados robustos e confiáveis. É essencial aplicar as melhores práticas e permanecer atento a potenciais vulnerabilidades, refinando constantemente o seu código para fortalecer as medidas de segurança.

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2024-07-08 13:38