ما هو التجزئة ولماذا هو مهم في التشفير؟

الهاشينغ هو عملية أساسية في التشفير تحول البيانات ذات الحجم المتغير إلى مخرجات ذات حجم ثابت. ويتم تنفيذ هذا الإجراء من خلال صيغ رياضية تُعرف بدوال الهاش، والتي يتم تنفيذها كخوارزميات.

على الرغم من أن ليس كل وظائف التجزئة تتضمن التشفير، إلا أن وظائف التجزئة التشفيرية تلعب دورًا حاسمًا في عالم العملات المشفرة. بفضلها، تتمكن سلاسل الكتل (blockchains) وأنظمة أخرى موزعة من تحقيق مستويات كبيرة من سلامة وأمان البيانات.

تتمثل السمة الأساسية لدوال التجزئة، سواء التقليدية أو التشفير، في حتميتها. وهذا يعني أنه عند الحفاظ على نفس المدخلات، سيقوم خوارزم التجزئة دائمًا بإنتاج نفس المخرجات، والمعروفة أيضًا باسم الهضم أو التجزئة.

تُستخدم خوارزميات التجزئة في العملات المشفرة عادةً كدوال أحادية الاتجاه. وهذا يعني أنه على الرغم من أن إنتاج المخرجات من المدخلات يكون بسيطًا نسبيًا، فإن العملية العكسية تكون معقدة للغاية، مما يتطلب موارد حاسوبية كبيرة. بشكل عام، كلما كان من الصعب استرداد المدخلات الأصلية، كان يُعتبر خوارزمية التجزئة أكثر أمانًا.

سك تعمل وظائف التجزئة؟

يمكن أن تنتج وظائف التجزئة المختلفة مخرجات بأحجام متنوعة، ولكن لكل خوارزمية معينة، يكون حجم المخرج دائمًا ثابتًا. على سبيل المثال، تولد خوارزمية SHA-256 دائمًا مخرجًا بحجم 256 بت، بينما تنتج SHA-1 دائمًا تجزئة بحجم 160 بت.

لتوضيح ذلك، سنطبق خوارزمية تجزئة SHA-256 ( المستخدمة في Bitcoin ) على الكلمات "Gate" و "Gate":

SHA-256

إدخال | إخراج (256 بت) --------|------------------ بوابة | 7f43c1b0e1e6c6e5c5cb62d3f9a4e3cb9b7d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3b3e3d3d3b بوابة | 9b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3d3d

لاحظ أن تغييرًا طفيفًا (في رأس الحرف الأول) يؤدي إلى قيمة تجزئة مختلفة تمامًا. ومع ذلك، حيث أننا نستخدم SHA-256، ستظل المخرجات دائمًا بحجم ثابت قدره 256 بتًا (أو 64 حرفًا سداسيًا) - بغض النظر عن حجم الإدخال. بالإضافة إلى ذلك، لا يهم عدد المرات التي نقوم فيها بتنفيذ الخوارزمية بنفس الإدخالات، ستظل المخرجات ثابتة.

لماذا تعتبر دوال التجزئة مهمة؟

تتمتع دوال التجزئة التقليدية بمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك البحث في قواعد البيانات، وتحليل الملفات الكبيرة، وإدارة البيانات. من ناحية أخرى، تُستخدم دوال التجزئة التشفيرية على نطاق واسع في تطبيقات أمان المعلومات، مثل مصادقة الرسائل وتوليد التوقيعات الرقمية. في سياق البيتكوين، تعتبر دوال التجزئة التشفيرية ضرورية لعملية التعدين وتلعب أيضًا دورًا حاسمًا في توليد عناوين جديدة ومفاتيح.

يظهر الإمكانات الحقيقية للتجزئة عند التعامل مع كميات كبيرة من المعلومات. على سبيل المثال، من الممكن معالجة ملف أو مجموعة بيانات كبيرة من خلال دالة تجزئة واستخدام ناتجها للتحقق بسرعة من دقة البيانات وسلامتها. هذا ممكن بسبب الطبيعة الحتمية لدوال التجزئة: نفس المدخلات ستؤدي دائمًا إلى ناتج مضغوط ومبسط (hash). هذه التقنية تقضي على الحاجة إلى تخزين و"تذكر" كميات كبيرة من البيانات.

الهاشينغ مفيد بشكل خاص في سياق تكنولوجيا البلوكشين. تتضمن بلوكشين البيتكوين، على سبيل المثال، العديد من عمليات الهاشينغ، خاصة في عملية التعدين. في الواقع، تعتمد جميع بروتوكولات العملات المشفرة تقريبًا على الهاشينغ لتجميع وتكثيف المعاملات في كتل، بالإضافة إلى إنشاء روابط تشفيرية بين كل كتلة، مما يشكل فعليًا بلوكشين.

وظائف هاش التشفير وخصائصها

وظيفة هاش تنفذ تقنيات التشفير تُسمى وظيفة هاش تشفيرية. بشكل عام، كسر وظيفة هاش تشفيرية يتطلب عددًا لا حصر له من محاولات القوة الغاشمة. لـ "عكس" وظيفة هاش تشفيرية، سيكون من الضروري تخمين المدخلات عن طريق المحاولة والخطأ حتى يتم إنتاج المخرج المقابل.

لكي تُعتبر وظيفة تجزئة التشفير آمنة بشكل فعال، يجب أن تمتلك ثلاث خصائص أساسية: مقاومة التصادم، مقاومة ما قبل الصورة، ومقاومة الصورة الثانية.

مقاومة الاصطدام

تحدث التصادمات عندما تنتج مدخلات مختلفة نفس الهاش تمامًا. تعتبر دالة الهاش مقاومة للتصادمات عندما تكون احتمالية العثور على تصادم منخفضة لدرجة أنه يتطلب وقتًا حسابيًا غير عملي.

مقاومة الصورة المسبقة

تتعلق هذه الخاصية بمفهوم الوظائف أحادية الاتجاه. تعتبر دالة الهاش مقاومة للصورة السابقة عندما تكون هناك احتمالية منخفضة للغاية لوجود شخص ما يجد الإدخال الذي أنتج مخرجات معينة.

مقاومة للصورة الأولية الثانية

يحدث هجوم ما قبل الصورة الثانية عندما يتمكن شخص ما من العثور على إدخال محدد ينتج نفس المخرج لإدخال آخر معروف بالفعل. أي دالة تجزئة مقاومة للاصطدامات تكون أيضًا مقاومة لهجمات ما قبل الصورة الثانية.

تطبيق في تعدين التشفير

في عملية تعدين البيتكوين، تلعب وظائف التجزئة دورًا حاسمًا. يحتاج المعدّنون إلى إجراء عدد لا يحصى من عمليات التجزئة لإيجاد حل صالح للكتلة التالية. على وجه التحديد، يحتاج المعدّن إلى إنشاء تجزئة لكتلته المرشحة تبدأ بعدد معين من الأصفار، المحددة من خلال صعوبة التعدين.

تعدل صعوبة التعدين تلقائياً بواسطة بروتوكول بيتكوين للحفاظ على الوقت المتوسط لتعدين كتلة قريباً من 10 دقائق، بغض النظر عن تقلبات معدل التجزئة للشبكة.

الاعتبارات النهائية

تعتبر دوال الهاش أدوات لا غنى عنها في علم الحاسوب، خاصة عند التعامل مع كميات كبيرة من البيانات. عند دمجها مع تقنيات التشفير، تصبح خوارزميات الهاش متعددة الاستخدامات للغاية، حيث تقدم الأمان والمصادقة بطرق متنوعة. تُعتبر دوال الهاش التشفيرية حيوية لجميع شبكات العملات المشفرة تقريبًا، مما يجعل فهم خصائصها وآليات عملها أمرًا أساسيًا لأي شخص مهتم بتقنية البلوكشين.