Do czego służą klucze prywatne i publiczne w świecie kryptowalut? Jaka jest między nimi różnica?

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak właściwie działają portfele kryptowalutowe? O ile już trochę znasz się na rzeczy, to pewnie zetknąłeś się z terminami takimi jak klucze prywatne i publiczne. Czym one właściwie są? Dowiesz się tego w tym artykule!

Treść artykułu na temat kluczy prywatnych i publicznych

Wstęp

Kryptowaluty, na czele z Bitcoinem, wykorzystują do swojego prawidłowego i bezpiecznego funkcjonowania kilka ważnych technologii:

• Transakcje są zapisywane i przechowywane przy użyciu technologii łańcucha bloków, innymi słowy blockchaina.
• Walidacja transakcji jest przeprowadzana przez węzły w sieci, które w języku angielskim noszą nazwę nodes.
• Dodawaniem nowych bloków i zapewnianiem ich stałości i niezmienności zajmuje się zdecentralizowana sieć węzłów. Ich operatorzy osiągają wzajemne porozumienie (konsensus) w sieci zgodnie z jasno określonymi zasadami. Zasady te są określane przez mechanizmy takie jak Proof of Work, Proof of Stake lub inne warianty.
• Poszczególni użytkownicy mogą następnie przenosić salda między adresami za pomocą narzędzi programowych, które są powszechnie znane jako portfele kryptowalutowe. Transakcje te realizowane są w tle środowiska użytkownika przy użyciu protokołu podpisu cyfrowego wykorzystującego krzywe eliptyczne.

W celu zabezpieczenia podpisy cyfrowe wykorzystują tak zwaną kryptografię asymetryczną. W przeciwieństwie do kryptografii symetrycznej, wykorzystuje ona nie jeden, ale dwa klucze. A mianowicie klucz prywatny i klucz publiczny. Ale co właściwie reprezentują te klucze?

Jak wygląda klucz prywatny i klucz publiczny?

Każdy portfel kryptowalutowy w celu wysyłania i odbierania transakcji wykorzystuje zarówno klucz prywatny, jak i publiczny. Oba klucze są niezbędne do zapewnienia integralności wszystkich danych w sieci kryptowalut. Przybierają one postać kodu, czyli zestawu jedynek i zer. Kod ten może być wyświetlony w różnych systemach liczbowych, na przykład oto tak:

Photo: FreeCodeCamp.org

Każdy klucz publiczny posiada swój własny klucz prywatny, i to z jednego prostego powodu. Klucz publiczny może być wygenerowany tylko z klucza prywatnego. Z kolei z klucza publicznego generowany jest adres portfela, będący dokładnie tym adresem, który widnieje w portfelu. Wiele osób myli pojęcia adresu publicznego i klucza publicznego, jednakże należy zaznaczyć, że zdecydowanie nie są one jednym i tym samym.

Jednocześnie klucz prywatny to zdecydowanie nie to samo co seed (fraza bezpieczeństwa). Kwestię tę rozwiniemy bardziej w dalszej części artykułu. Czytaj dalej!

Do czego służą te klucze?

Kryptografia jest kluczowym elementem bezpieczeństwa kryptowalut. Gdybyśmy codziennie otrzymywali i wysyłali kryptowaluty bez wystarczającego szyfrowania, nie mielibyśmy gwarancji, że publiczne dane, które widzimy w sieci kryptowalut odnośnie naszych transakcji, nie zostały wcześniej zmienione. Aby zapewnić, że transakcje wysyłane przez użytkownika A do użytkownika B są bezpieczne przed wszelkimi naruszeniami, nadużyciami i manipulacją, są one szyfrowane, przy czym tylko ci dwaj użytkownicy znają klucze lub hasła do ich odszyfrowania.

Do szyfrowania używa się dwóch form kryptografii – symetrycznej i asymetrycznej. Kryptografia symetryczna zawiera tylko jeden jedyny klucz – klucz prywatny, który jest używany do szyfrowania informacji. Aby ponownie je odszyfrować, obie strony muszą go znać.

Photo: 101computing.net

Chociaż ta forma szyfrowania jest szybsza, niestety, jest również mniej bezpieczna ze względu na mniejszą liczbę możliwych kombinacji.

Dlatego też świat kryptowalut przeszedł na kryptografię asymetryczną, która wykorzystuje nie jeden, ale dwa klucze – klucz prywatny i klucz publiczny.

W kryptografii asymetrycznej klucz publiczny jest znany wszystkim uczestnikom sieci, o czym świadczy między innymi jego nazwa. Klucz publiczny służy do szyfrowania danych, przy czym tylko klucz prywatny może je odszyfrować.

Photo: 101computing.net

Jeśli chodzi o kryptowaluty, każdy klucz publiczny jest reprezentowany przez adres kryptowalutowy, który w rzeczywistości jest jedynie skróconą formą klucza publicznego. Za pomocą klucza publicznego można wyświetlić saldo i historię transakcji dowolnego portfela (adresu). Aby jednak móc dysponować saldem, to znaczy wysyłać kryptowaluty z tego konkretnego adresu do innego miejsca, wymagany jest klucz prywatny.

Z każdego klucza prywatnego można wygenerować deterministycznie klucz publiczny, a następnie (za pomocą innego algorytmu) stworzyć z tego drugiego adres publiczny.

Prawdopodobnie najważniejszą cechą całego procesu jest fakt, że utworzenie klucza publicznego jest niezwykle proste, a konwersja klucza publicznego na klucz prywatny jest praktycznie niemożliwa. Dlatego też informacje o transakcjach mogą zostać odszyfrowane tylko przez prawowitą osobę – właściciela kryptowalut.

Klucz publiczny, czyli generator Twojego adresu kryptowalutowego

Klucz publiczny jest generowany z klucza prywatnego za pomocą algorytmu. Do utworzenia adresu kryptowalutowego z klucza publicznego można użyć funkcji haszującej. Jej struktura może się nieznacznie różnić w zależności od konkretnego blockchaina, ponieważ używają one różnych algorytmów do jej wyprowadzenia. Weźmy na przykład adresy w sieci Bitcoina.

3 rodzaje najpowszechniej spotykanych adresów bitcoinowych

Obecnie istnieje kilka rodzajów adresów bitcoinowych. Z punktu widzenia użytkownika działają one praktycznie tak samo, najważniejsza różnica polega tutaj na wysokości opłat. Można powiedzieć, że im nowszy format, tym tańsze będą transakcje.

• Starsze adresy (legacy) (P2PKH) zaczynające się od “1”.
  • Na przykład: 19v3GbjJakgweP75zGr4fPbRaAzrLTCVJK.
  • Jest to najstarszy typ adresu. Spośród wszystkich typów adresów zajmuje najwięcej miejsca w bloku, dlatego też korzystanie z niego wiąże się z wyższymi opłatami.
• Adresy SegWit (P2SH-P2WPKH) zaczynające się od “3”.
  • Na przykład: 3KGn9Z4p2UWq1DZiZNeCbW9DVEULxkBH4p.
• Natywne adresy SegWit (Bech32) zaczynające się od “bc1q”.
  • Na przykład: bc1qrzcq02dm69almqhk309c768l7ff2e0608k6kx4.
• Adresy Taproot (P2TR) zaczynające się od “bc1p”.
  • Na przykład: bc1pmzfrwwndsqmk5yh69yjr5lfgfg4ev8c0tsc06e

Najnowsze typy adresów pozwalają zaoszczędzić nawet do 70% miejsca w bloku. Z tego powodu transakcje dokonywane przy użyciu tych adresów podlegają niższym opłatom. Umożliwiają one również przejście do innych warstw sieci Bitcoin, takich jak Lightning Network.

Nierzadko można się z nimi zetknąć w postaci kodu QR:

Jak więc działają klucze, adresy i transakcje?

Założenie portfela i wygenerowanie kluczy

1. Najpierw należy pobrać program portfela kryptowalutowego, na przykład MetaMask, MyEtherWallet lub Blue Wallet i jeden taki sobie założyć. Gdy to zrobisz, oprogramowanie portfela wygeneruje dla Ciebie frazę seed, innymi słowy podstawową kombinację liczbową, która dla wygody użytkownika została przekonwertowana na 12 lub 24 słowa.
2. Następnie portfel utworzy z frazy seed pierwszy klucz prywatny.
3. Portfel zapisze ten klucz prywatny, a następnie wygeneruje z niego klucz publiczny.
4. Z klucza publicznego powstaje następnie adres portfela, którym dysponujesz.

A jak działają transakcje?

Przejdźmy teraz do środowiska sieci kryptowalut. W naszym modelowym przykładzie mamy Tomasza, Jakuba i Weronikę. Tomasz chce wysłać Jakubowi trochę bitcoinów. Co dokładnie wtedy dzieje się w portfelach kryptowalutowych i operacjach sieciowych w blockchainie?

1. Jakub daje Tomaszowi swój klucz publiczny (adres).
2. Tomasz szyfruje transakcję za pomocą klucza publicznego Jakuba i podpisuje ją swoim kluczem prywatnym, tworząc w ten sposób tzw. hasz.
3. Następnie Tomasz wysyła transakcję do Jakuba.
4. Transakcja najpierw przechodzi przez sieć górników i węzłów, które weryfikują jej poprawność.
5. Gdy górnicy uznają, że transakcja jest w porządku, Jakub skorzysta ze swojego klucza prywatnego, aby uzyskać dostęp do bitcoinów, które wysłał do niego Tomasz.

Jak widać, nie jest to nic skomplikowanego. Magia kryptografii asymetrycznej polega na tym, że w trakcie całego procesu opisanego powyżej klucz prywatny Jakuba i Tomasza nie opuścił ich portfeli, więc Weronika nie miała szans na odwrócenie transakcji lub zdobycie bitcoinów, w których posiadanie wszedł Jakub. Aby to zrobić, musiałaby znać jego klucz prywatny, ponieważ jej własny klucz prywatny nie jest zdolny odszyfrować tej transakcji.

Spójrz jeszcze na następujący obrazek, który nawiasem mówiąc jest pierwszym obrazkiem znajdującym się na samym początku białej księgi Bitcoina:

Photo: Satoshi Nakamoto (Bitcoin Whitepaper)

Można również zauważyć, że sam portfel w rzeczywistości nie zawiera żadnych kryptowalut. Nie ma tutaj żadnego pliku z zapisaną ilością bitcoinów.

Jedyną funkcją portfela jest ochrona kluczy prywatnych. Nowe bitcoiny Jakuba są bowiem jedynie wpisami w blockchainie, czyli tak zwanej zdecentralizowanej księdze rachunkowej Portfele są urządzeniami, które mogą zajrzeć do tej księgi, pokazać nam salda przypisane do poszczególnych kont i podpisać wszelkie transakcje.

Utworzenie kluczy – główna funkcja portfeli Bitcoin

Kiedy mowa o kluczach, często stosuje się termin utworzenie portfela i kluczy. Dokładniej jest jednak powiedzieć, że klucze są znajdywane. Nie można ich bowiem utworzyć. Relacja między kluczami prywatnymi i publicznymi jest deterministycznie z góry określona, jak wspomniano powyżej. Choć może się to wydawać nieprawdopodobne, w rzeczywistości wszystkie pary kluczy już istnieją. Dlatego też można przeprowadzić cały proces wyszukiwania pary działających kluczy w trybie off-line, tj. bez połączenia z Internetem.

Liczba istniejących par kluczy jest naprawdę ogromna (2²⁵⁶). Jest to liczba zbliżona do ilości atomów w obserwowalnym wszechświecie. Dlatego też jest prawie niemożliwe, aby ktoś odkrył dokładnie taką samą kombinację kluczy jak ty i ukradł twoje kryptowaluty.

Twój portfel najpierw użyje algorytmu SHA256, aby losowo wygenerować 256-bitową liczbę (256 jedynek i zer). Następnie przekonwertuje tę liczbę na recovery seed, który należy zapisać w bezpiecznym miejscu w formie analogowej (nie cyfrowej). Na przykład na kartce papieru lub wygrawerować na metalowej płytce.

Następnie z seeda zostaje utworzony tzw. master binary seed (przy użyciu funkcji PBKDF2). Służy on do generowania wszystkich kluczy prywatnych w Twoim portfelu. Tym, co teraz opisujemy, jest zasada hierarchicznie deterministycznego portfela, którą omówimy bardziej szczegółowo w następnej sekcji tekstu.

Photo: wiki.trezor.io

Domyślna 256-bitowa liczba, która jest alfą i omegą i stanowi klucz prywatny, może być wymyślona przez użytkownika lub może zostać utworzona na podstawie 62 rzutów kośćmi, przy czym dalsze klucze mogą zostać wygenerowane przy użyciu powyższych procedur. Wygenerowany w ten sposób zestaw kluczy będzie działać tak samo, jak ten wygenerowany automatycznie przez portfel.

Jak widać, procedura uzyskiwania kluczy prywatnych i publicznych jest dość skomplikowana. W rzeczywistości jednak nie trzeba się o nic martwić. Portfel robi to wszystko za Ciebie. Jedyne co musisz zrobić to pilnować odpowiednio swojej frazy seed i odbierać kryptowaluty na wygenerowane adresy.

Jak fraza seed jest powiązana z kluczem prywatnym lub czym jest portfel hierarchicznie deterministyczny (HD)?

Tak jak społeczność kryptowalutowa często myli pojęcia klucza publicznego i adresu portfela, tak samo często dochodzi do nieporozumień w przypadku takich terminów jak klucz prywatny i seed. Aby zrozumieć, dlaczego coś takiego jak seed właściwie istnieje, musimy zacząć od wyjaśnienia, czym jest tak zwany portfel hierarchicznie deterministyczny (HD).

Na początek tak jak wcześniej ograniczymy się do prostego, modelowego przykładu. Jeśli chcesz wysłać jakieś kryptowaluty ze swojego tradycyjnego portfela do znajomego, to wysyłasz je na jego adres publiczny w taki sam sposób, jak opisano w powyższym rozdziale.

Ale jeśli chcesz zwiększyć poziom anonimowości, to trzeba utworzyć więcej adresów kryptowalut. Ta sama sytuacja ma miejsce, gdy chcesz się połączyć z inną siecią kryptowalut. Na przykład, jeśli założyłeś portfel MetaMask w standardowy sposób, to znaczy w blockchainie Ethereum, ale chcesz połączyć się z siecią Polygon. Chociaż do portfela MetaMask logujesz się za pomocą jednego jedynego hasła i seeda, posiadasz wiele adresów kryptowalutowych, co najmniej jeden w każdej sieci.

Gdybyś musiał być na bieżąco ze wszystkimi kombinacjami kluczy publicznych i prywatnych, byłoby to co najmniej bardzo niewygodne.

Właśnie z tego powodu stworzono hierarchicznie deterministyczne portfele, które dla każdej instancji (kombinacji kluczy prywatnych i publicznych, które tworzą adres) używają pojedynczej kombinacji wartości, która jest określana jako seed.

Tak więc po utworzeniu portfela HD (np. MetaMask) zostanie wyświetlony seed, który należy zapamiętać lub przechowywać w bezpiecznym miejscu. Na podstawie tego seeda wygenerowany zostanie deterministycznie unikalny klucz prywatny, z którego powstanie klucz publiczny, a z klucza publicznego adres kryptowalutowy, jak zresztą już wyjaśniliśmy powyżej. Kiedy zechcesz założyć nowy adres, to z tej samej frazy seed wygenerowany zostanie nowy klucz prywatny, nowy klucz publiczny i nowy adres. I nagle wszystko staje się prostsze.

To właśnie dlatego fraza seed jest tak ważna – tylko za jej pomocą można uzyskać dostęp do wszystkich utworzonych kluczy prywatnych, a tym samym do wszystkich adresów kryptowalutowych.

Utrata frazy seed oznacza utratę samego rdzenia Twojego hierarchicznie deterministycznego portfela kryptowalut, a tym samym również utratę dostępu do wszystkich kluczy prywatnych.

Na co należy uważać podczas pracy z kluczami?

Największym problemem podczas pracy z kryptowalutami jest ich bezpieczeństwo. Jak już wiesz, jeśli ktoś dostałby w swoje ręce Twoje klucze prywatne lub frazę seed, zyskałby kontrolę nad Twoimi adresami i mógłby okraść Cię ze wszystkich Twoich kryptowalut. Dlatego ważne jest, aby poświęcić szczególną uwagę ich bezpieczeństwu.

Portfele, które zarządzają kluczami i operacjami z nimi, można podzielić na dwie główne kategorie:

• A) Portfele kustodialne (klucze są zarządzane przez operatora portfela, chodzi zwykle np. o portfele na giełdach).

Portfele kustodialne mają tę cechę, że biorą na siebie odpowiedzialność za bezpieczeństwo kryptowalut. Nie możesz zgubić swoich kluczy prywatnych, ponieważ po prostu nie masz do nich dostępu. W razie wystąpienia jakiegoś problemu, o ile udowodnisz swoją tożsamość, operator portfela (np. giełda) pozwoli Ci odzyskać Twoje kryptowaluty.

Z drugiej jednak strony, takie rozwiązanie niweluje jedne z najważniejszych cech kryptowalut, a mianowicie brak możliwości cenzurowania transakcji, decentralizację i niezależność. To nie Ty jesteś właścicielem cyfrowych monet, ale operator portfela. O ile zechce, operator ten będzie mógł ingerować w Twoje transakcje. Może on również skonfiskować Twoje środki. Warto zaznaczyć, że to właśnie stąd wzięło się powiedzenie: “not your keys, not your coins”.

• B) Portfele niekustodialne (użytkownik sam jest w posiadaniu swoich kluczy i jest odpowiedzialny za ich bezpieczeństwo).

Portfele niekustodialne pozwalają użytkownikom być w pełni odpowiedzialnymi za swoje klucze prywatne. Korzystając z takiego portfela, tylko Ty jesteś w ich posiadaniu. Istnieje więc możliwość, że jeśli popełnisz błąd, możesz bezpowrotnie stracić swoje cyfrowe monety. Z drugiej jednak strony, to ty masz nad nimi 100% kontrolę.

Dodatkowy podział portfeli niekustodialnych

Portfele te są dalej podzielone na:

• A) Portfele programowe.

Portfele programowe zwykle przybierają postać aplikacji mobilnej lub programu komputerowego. Należą do nich takie portfele jak Coinomi, MetaMask, Electrum, BlueWallet, Wallet of Satoshi, lub Coinbase Wallet.

Generalnie wyróżniają się one prostotą i są przyjazne dla użytkownika. Problem polega jednak na tym, że urządzenie może zostać zainfekowane wirusem lub innym szkodliwym oprogramowaniem, które może w jakiś sposób wydobyć klucze z urządzenia i okraść użytkownika z monet. W przeszłości zdarzało się nawet, że klucze prywatne portfeli programowych były archiwizowane w iCloud, opuszczając w ten sposób urządzenie użytkownika. Dotyczyło to na przykład wspomnianego już kilkakrotnie portfela MetaMask.

• B) Portfele sprzętowe.

Z powyższych powodów – szczególnie jeśli chodzi o transakcje kryptowalutowe o wyższej wartości – zaleca się korzystanie z portfela sprzętowego. Weźmy na przykład czeski Trezor lub francuski Ledger. Urządzenia te są prostymi, małymi komputerami przypominającymi pendrive’y, które umożliwiają podpisywanie transakcji w ramach samego portfela, przy czym do urządzenia, do którego portfel jest podłączony, wysyłany jest tylko sam podpis.

Editor favourite

Trezor

93 %

Review Kupić!

Pros

• Jeden z najbezpieczniejszych portfeli
• Stworzony przez czeską firmę

Cons

• Może być skomplikowany dla początkujących
• Jest droższy niż inne portfele, zwłaszcza Model T

W rezultacie Twoje klucze nigdy nie opuszczają bezpiecznego, zaszyfrowanego środowiska portfela i nigdy nie mogą zostać skradzione.

Klucze prywatne a publiczne – podsumowanie

Podsumowując, klucz prywatny to kod, który powinien być przechowywany w możliwie najbezpieczniejszym miejscu i który powinien znać tylko użytkownik/właściciel kryptowalut. Umożliwia on dysponowanie kryptowalutami przechowywanymi na Twoich adresach. O to, jak przechowywać klucz prywatny, nie musisz się martwić – zadba o to sam portfel.

Tym, o co jednak rzeczywiście musisz się martwić, to Twoja fraza seed, czyli fraza, z której generowany jest klucz prywatny. Każdy klucz prywatny jest generowany deterministycznie z jego frazy seed, więc nawet jeśli masz na przykład portfel MetaMask i przechowujesz w nim wiele sieci, co przekłada się na wiele adresów, a tym samym wiele kluczy prywatnych, potrzebujesz tylko jednego seeda, aby uzyskać dostęp do nich wszystkich.

Z każdego klucza prywatnego generowany jest klucz publiczny, a z samego klucza publicznego generowany jest adres portfela. Adres ten jest w pełni publiczny i możliwy do wyszukania w blockchainie.

Obecnie kryptografia asymetryczna wykorzystująca 128-bitową lub 256-bitową entropię danych jest uważana za wystarczającą.

Jeśli ktoś próbowałby odgadnąć Twój 256-bitowy klucz prywatny, musiałby trafić w jedną z 115 792 089 237 316 195 423 570 985 008 687 907 853 269 

984 665 640 564 039 457 584 007 913 129 639 936 kombinacji, co jest prawie niewyobrażalne.

Dopóki ktoś na świecie nie zbuduje komputera kwantowego, można z niemal 100% pewnością stwierdzić, że nikt na świecie nie będzie w stanie odgadnąć klucza prywatnego lub frazy seed, o ile nie przeznaczy na to dziesiątek lat czasu. Tak więc bezpieczeństwo Twojego portfela zależy wyłącznie od Ciebie i tego, jak bezpiecznie potrafisz strzec swoich kluczy prywatnych (a dokładniej fraz seed).

BONUS: Czym są ścieżki derywacji w przypadku portfeli HD?

W przypadku hierarchicznie deterministycznych portfeli parametr ścieżki zawiera kilka charakterystycznych wartości, których modyfikacja skutkuje wygenerowaniem całkowicie odmiennych sekwencji kluczy prywatnych. Ścieżki te wykorzystywane są m.in. do oddzielania zestawów kluczy prywatnych dla poszczególnych blockchainów wykorzystujących te same algorytmy, wyłącznie w celu ich rozróżnienia z różnych powodów, np. kluczy prywatnych wykorzystywanych w sieci rzeczywistej (mainnet) i kluczy wykorzystywanych w sieci testowej (testnet). Przykłady obejmują Ethereum, Ethereum Classic lub jego sieci testowe:

• Ścieżka derywacji dla Ethereum: m’/44’/60’/0’/0.
• Ścieżka derywacji dla Ethereum Classic: m’/44’/61’/0’/0.
• Ścieżka derywacji dla Ropsten, sieci testowej Ethereum: m’/44’/1’/0’/0.
• Ścieżka derywacji dla kryptowaluty Callisto: m’/44’/820’/0’/0.

Każda liczba oznacza coś innego. Pierwsza, 44, reprezentuje standard BIP 44 (Bitcoin Improvement Proposal), który określa hierarchię dla portfeli HD z parametrem konta, rozszerzając w ten sposób wcześniejszy BIP 39 oraz BIP 32.

Photo: wiki.trezor.io

BIP jest odpowiedzialny za sposób, w jaki wartości z seeda rozgałęziają się podczas generowania kluczy prywatnych. Chociaż w nazwie ma “Bitcoin”, ma również zastosowanie do innych kryptowalut, jak widać powyżej. Informacje o innych parametrach ścieżki, takich jak typ kryptowaluty, numer konta i indeksowanie, można znaleźć tutaj.