O que é hash e por que é importante na criptografia?

O hashing é um processo fundamental na criptografia que transforma dados de tamanho variável em uma saída de tamanho fixo. Esse procedimento é realizado por meio de fórmulas matemáticas denominadas funções hash, implementadas como algoritmos.

Embora nem todas as funções hash envolvam criptografia, as funções hash criptográficas desempenham um papel crucial no universo das criptomoedas. Graças a elas, blockchains e outros sistemas distribuídos conseguem alcançar níveis significativos de integridade e segurança de dados.

Uma característica essencial das funções hash, tanto convencionais quanto criptográficas, é seu determinismo. Isso significa que, mantida a mesma entrada, o algoritmo de hash sempre produzirá a mesma saída, também conhecida como digest ou hash.

Os algoritmos de hash utilizados em criptomoedas são geralmente projetados como funções unidirecionais. Isso implica que, embora seja relativamente simples gerar a saída a partir da entrada, o processo inverso é extremamente complexo, demandando recursos computacionais substanciais. De modo geral, quanto mais difícil for recuperar a entrada original, mais seguro será considerado o algoritmo de hashing.

Como funcionam as funções hash?

Diferentes funções hash podem produzir saídas de tamanhos variados, mas para cada algoritmo específico, o tamanho da saída é sempre constante. Por exemplo, o algoritmo SHA-256 invariavelmente gera uma saída de 256 bits, enquanto o SHA-1 sempre produz um digest de 160 bits.

Para ilustrar, vamos aplicar o algoritmo de hash SHA-256 (utilizado no Bitcoin) às palavras "Gate" e "gate":

SHA-256

Entrada | Saída (256 bits) --------|------------------ Gate | 7f43c1b0e1e6c6e5c5cb62d3f9a4e3cb9b7d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b gate | 9b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d

Observe que uma pequena alteração (a capitalização da primeira letra) resulta em um valor de hash completamente diferente. No entanto, como estamos utilizando o SHA-256, as saídas sempre terão um tamanho fixo de 256 bits (ou 64 caracteres hexadecimais) - independentemente do tamanho da entrada. Além disso, não importa quantas vezes executemos o algoritmo com as mesmas entradas, as saídas permanecerão constantes.

Por que as funções hash são importantes?

As funções hash convencionais têm uma ampla gama de aplicações, incluindo buscas em bancos de dados, análises de arquivos extensos e gerenciamento de dados. Por outro lado, as funções hash criptográficas são amplamente utilizadas em aplicações de segurança da informação, como autenticação de mensagens e geração de assinaturas digitais. No contexto do Bitcoin, as funções hash criptográficas são essenciais para o processo de mineração e também desempenham um papel crucial na geração de novos endereços e chaves.

O verdadeiro potencial do hashing se manifesta ao lidar com grandes volumes de informações. Por exemplo, é possível processar um arquivo ou conjunto de dados extenso por meio de uma função hash e utilizar sua saída para verificar rapidamente a precisão e integridade dos dados. Isso é viável devido à natureza determinística das funções hash: a mesma entrada sempre resultará em uma saída condensada e simplificada (hash). Essa técnica elimina a necessidade de armazenar e "lembrar" grandes quantidades de dados.

O hashing é particularmente útil no contexto da tecnologia blockchain. A blockchain do Bitcoin, por exemplo, envolve diversas operações de hashing, principalmente no processo de mineração. De fato, praticamente todos os protocolos de criptomoedas dependem do hashing para agrupar e condensar transações em blocos, além de criar links criptográficos entre cada bloco, efetivamente formando uma blockchain.

Funções hash criptográficas e suas propriedades

Uma função hash que implementa técnicas criptográficas é denominada função hash criptográfica. Em geral, quebrar uma função hash criptográfica requer uma infinidade de tentativas de força bruta. Para "reverter" uma função hash criptográfica, seria necessário adivinhar a entrada por tentativa e erro até que a saída correspondente fosse produzida.

Para ser considerada efetivamente segura, uma função hash criptográfica deve possuir três propriedades fundamentais: resistência à colisão, resistência à pré-imagem e resistência à segunda pré-imagem.

Resistência à colisão

Uma colisão ocorre quando entradas diferentes produzem exatamente o mesmo hash. Uma função hash é considerada resistente a colisões quando a probabilidade de encontrar uma colisão é tão baixa que exigiria um tempo computacional impraticável.

Resistência à pré-imagem

Esta propriedade está relacionada ao conceito de funções unidirecionais. Uma função hash é considerada resistente à pré-imagem quando há uma probabilidade extremamente baixa de alguém encontrar a entrada que gerou uma saída específica.

Resistência à segunda pré-imagem

Um ataque de segunda pré-imagem ocorre quando alguém consegue encontrar uma entrada específica que gera a mesma saída de outra entrada já conhecida. Qualquer função hash resistente a colisões também é resistente a ataques de segunda pré-imagem.

Aplicação na mineração de criptomoedas

No processo de mineração de Bitcoin, as funções hash desempenham um papel crucial. Os mineradores precisam realizar inúmeras operações de hashing para encontrar uma solução válida para o próximo bloco. Especificamente, um minerador precisa gerar um hash para seu bloco candidato que comece com um determinado número de zeros, definido pela dificuldade de mineração.

A dificuldade de mineração é ajustada automaticamente pelo protocolo Bitcoin para manter o tempo médio de mineração de um bloco próximo a 10 minutos, independentemente das flutuações na taxa de hash da rede.

Considerações finais

As funções hash são ferramentas indispensáveis na ciência da computação, especialmente ao lidar com grandes volumes de dados. Quando combinadas com técnicas criptográficas, os algoritmos de hash tornam-se extremamente versáteis, oferecendo segurança e autenticação de diversas maneiras. As funções hash criptográficas são vitais para praticamente todas as redes de criptomoedas, tornando a compreensão de suas propriedades e mecanismos de funcionamento essencial para qualquer pessoa interessada na tecnologia blockchain.