В мире цифровых технологий случайность играет ключевую роль. От простого подбрасывания монеты до сложных криптографических ключей, неопределенность является основным источником силы и безопасности. Однако генерация подлинно случайных чисел оказывается непростой задачей. Программисты и криптографы часто прибегают к специальным математическим функциям – хеш-функциям, которые создают на первый взгляд случайные и непредсказуемые данные из исходного массива. Уже долгие годы хеш-функции рассматриваются как почти идеальный аналог истинной случайности согласно так называемой модели случайного оракула.
Именно на этих предположениях базируются многие методы цифровой безопасности, в том числе криптографические протоколы, используемые в блокчейнах и электронных коммуникациях. Недавнее исследование, выполненное Дмитрием Ховратовичем из Ethereum Foundation, Роном Ротблумом из компании Succinct и Техниона в Израиле, а также Левом Сухановым из стартапа [alloc] init, поставило под сомнение эту фундаментальную модель. Авторы научной работы продемонстрировали, что при использовании одного из ключевых методов – преобразования Фиата-Шамира – можно фактически «доказывать ложь». Иными словами, с помощью тщательно сконструированного алгоритма можно заставить систему цифровых доказательств подтвердить неправду, даже если сама система кажется надежной при предположении о случайности хеш-функций. Преобразование Фиата-Шамира является краеугольным камнем современной криптографии.
Его суть заключается в том, чтобы преобразовать интерактивные доказательства с множеством раундов обмена информацией в неинтерактивные, позволяющие одной стороне представить доказательства, которые любой желающий сможет проверить самостоятельно и в любое время. Эта технология широко применяется в блокчейнах для верификации сложных вычислений, когда вычислительные задачи делегируются внешним серверам, и необходимо убедиться, что они выполнены корректно. Для понимания сути проблемы можно привести метафору с домашним заданием. Представьте студента, который сделал сто заданий, но профессор не хочет проверять каждое. Вместо этого преподаватель случайным образом проверяет десять работ.
Если ответы на выбранные задания верны, можно с высокой уверенностью считать, что остальные тоже правильные. Чтобы удостовериться, что выбор заданий действительно произвольный, и студент не смог подстроиться под выбор, используется специальный механизм – хеш-функции. Именно благодаря им студент «запечатывает» ответы, а затем «случайным» образом выбираются задания, которые проверяются. Ранее считалось, что при использовании надежных хеш-функций такой процесс гарантирует честность, поскольку хеши кажутся случайными и непредсказуемыми. Однако новая работа обнаружила, что можно создать специальную программную конструкцию, которая, получив свой собственный хеш в качестве входных данных, может манипулировать промежуточными вычислениями так, чтобы пройти проверку.
Другими словами, можно подготовить «мошенническую» программу, которая выглядит честной и выдает правильные ответы на тестовые задания, но на самом деле содержит ошибки или неточности в исходных данных. Эта уязвимость особенно опасна в контексте блокчейнов, поскольку криптовалюты и финансовые транзакции зависят от надежности подобных доказательств. Если злоумышленник сможет обмануть систему, «доказывая» ложь, это приведет к серьезным нарушениям и утрате доверия к цифровым валютам и распределенным реестрам. Ранее в 1996 году безопасность преобразования Фиата-Шамира была формально доказана при условии идеальной случайности хеш-функций. Но подобный идеал не достижим в реальном мире.
В конце 1990-х и начале 2000-х годов исследователи уже показывали искусственные примеры, когда протоколы ломались. Однако эти примеры считались неактуальными, так как они строились на фантастических предположениях и не применимы к реальным системам. Тем не менее современная работа выявила практическую и более универсальную уязвимость, способную затронуть широко используемые протоколы. Эти открытия вызвали тревогу у ведущих экспертов по криптографии и безопасности. Многие специалисты, включая Эйлона Йогева из Бар-Илан Университета, работают над тем, чтобы защитить системы и устранить выявленные дыры.
Среди предложенных решений – изменения и ограничения, которые требуют, чтобы сложность проверяемой программы была меньше, чем семья хеш-функций, используемых в протоколе. Это позволяет избежать возможности внедрения «мошеннического» кода, способного скомпрометировать доказательства. Однако такие меры не всегда могут быть внедрены во всех приложениях. Кроме того, сама по себе доводка защиты не гарантирует, что не появятся новые, еще более изощренные атаки. Очень важно провести глубокий пересмотр основ, на которых строятся криптографические доказательства, особенно когда от их надежности зависит безопасность миллиардов долларов и приватность миллионов пользователей.
В долгосрочной перспективе падение доверия к модели случайного оракула и преобразованию Фиата-Шамира может привести к появлению новых методик и стандартов для создания цифровых доказательств. Некоторые ученые считают, что предстоит эпоха переосмысления и реформ, в ходе которых помогут новое понимание случайности и дополнительные математические модели. Пока же владельцы коммерческих продуктов, таких как Polyhedra, оперативно реагируют на известные уязвимости, выпуская патчи и обновления. Тем не менее, эксперты предупреждают, что устойчивость криптографии не должна основывать на слепой вере в «идеальные» свойства хеш-функций. Необходимы более прозрачные и комплексные методы оценки безопасности, а также постоянный мониторинг и исследование потенциальных угроз.
Также важно отметить, что найденная уязвимость еще раз подчеркивает сложность и хрупкость систем цифровой безопасности. Малейшая ошибка или недосмотр в реализации протоколов может иметь катастрофические последствия. Программный код, адаптируемый под разные операционные системы и окружения, становится кладовой для потенциальных угроз, которые сложно обнаружить и исправить вовремя. Таким образом, открытие того, что можно «доказывать ложь», представляет собой не просто теоретическую сенсацию, но и серьезный вызов для обладающей глобальным влиянием отрасли криптографии. Успехи в выявлении и преодолении этой уязвимости имеют огромное значение для будущих цифровых экосистем, от финансовых рынков до защищенной коммуникации и контроля данных.
Необходимо помнить, что каждая технологическая инновация сопровождается новыми вызовами и рисками. Ученые и инженеры по всему миру объединились для решения возникших проблем с единственной целью — сохранить безопасность и доверие к цифровому пространству, которое становится неотъемлемой частью нашей жизни. Как бы ни развивались события, одно ясно — период безусловной веры в существующие криптографические протоколы закончился, и настало время для новых открытий и подходов, которые определят облик цифровой безопасности будущего.
