Что такое хэш и почему он важен в шифровании?

Хеширование — это фундаментальный процесс в шифровании, который преобразует данные переменного размера в выходные данные фиксированного размера. Эта процедура осуществляется с помощью математических формул, называемых хеш-функциями, реализованными в виде алгоритмов.

Хотя не все хэш-функции связаны с шифрованием, криптографические хэш-функции играют ключевую роль во вселенной криптовалют. Благодаря им блокчейны и другие распределенные системы могут достигать значительных уровней целостности и безопасности данных.

Одной из основных характеристик хеш-функций, как обычных, так и минтинг, является их детерминированность. Это означает, что при одинаковом входе алгоритм хеширования всегда будет выдавать один и тот же выход, также известный как дайджест или хеш.

Алгоритмы хеширования, используемые в криптовалютах, обычно разрабатываются как односторонние функции. Это означает, что хотя относительно просто сгенерировать выходные данные из входных, обратный процесс крайне сложен и требует значительных вычислительных ресурсов. В общем, чем сложнее восстановить оригинальный вход, тем более безопасным считается алгоритм хеширования.

Как работают хэш-функции?

Разные функции хеширования могут производить выходы различного размера, но для каждого конкретного алгоритма размер выхода всегда постоянен. Например, алгоритм SHA-256 неизменно генерирует выход размером 256 бит, в то время как SHA-1 всегда производит дайджест размером 160 бит.

Чтобы проиллюстрировать, давайте применим алгоритм хеширования SHA-256 (, используемый в Bitcoin), к словам "Gate" и "Gate":

ША-256

Вход | Выход (256 бит) --------|------------------ Ворота | 7f43c1b0e1e6c6e5cb62d3f9a4e3cb9b7d3d3b3e3d3d3d3b3e3d3d3d3d3d3d Ворота | 9b3e3d3d3d3b3e3d3d3d3d3b3e3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d3d

Обратите внимание, что небольшое изменение ( капитализации первой буквы ) приводит к совершенно другой хеш-значению. Однако, поскольку мы используем SHA-256, выходные данные всегда будут иметь фиксированный размер 256 бит ( или 64 шестнадцатеричных символа ) - независимо от размера входных данных. Кроме того, не имеет значения, сколько раз мы выполняем алгоритм с одними и теми же входными данными, выходные данные останутся постоянными.

Почему хеш-функции важны?

Обычные хеш-функции имеют широкий спектр применения, включая поиск в базах данных, анализ больших файлов и управление данными. С другой стороны, криптографические хеш-функции широко используются в приложениях безопасности информации, таких как аутентификация сообщений и генерация цифровых подписей. В контексте Биткойна криптографические хеш-функции являются необходимыми для процесса минтинга и также играют ключевую роль в генерации новых адресов и ключей.

Истинный потенциал хеширования проявляется при работе с большими объемами информации. Например, можно обработать файл или большой набор данных с помощью хеш-функции и использовать ее выходные данные для быстрой проверки точности и целостности данных. Это возможно благодаря детерминированной природе хеш-функций: одинаковый вход всегда приведет к упрощенному и сжатому выходу (hash). Эта техника устраняет необходимость в хранении и "воспоминании" больших объемов данных.

Хеширование особенно полезно в контексте технологии блокчейн. Блокчейн Биткойна, например, включает в себя множество операций хеширования, в основном в процессе минтинга. Фактически, практически все протоколы криптовалют зависят от хеширования для группирования и конденсации транзакций в блоки, а также для создания криптографических связей между каждым блоком, эффективно формируя блокчейн.

Хэш-функции шифрования и их свойства

Функция хеширования, которая реализует техники шифрования, называется криптографической хеш-функцией. В общем, для взлома криптографической хеш-функции требуется бесконечное количество попыток методом перебора. Чтобы "обратиться" к криптографической хеш-функции, необходимо угадать входные данные методом проб и ошибок, пока не будет получен соответствующий выход.

Чтобы считаться действительно безопасной, криптографическая хеш-функция должна обладать тремя основными свойствами: устойчивостью к коллизиям, устойчивостью к предобразу и устойчивостью к второму предобразу.

Сопротивление коллизии

Коллизия происходит, когда разные входные данные производят точно такой же хеш. Функция хеширования считается стойкой к коллизиям, когда вероятность нахождения коллизии так мала, что потребовала бы непрактичное время вычислений.

Сопротивление к предобразу

Это свойство связано с понятием односторонних функций. Хеш-функция считается устойчивой к предобразованию, когда вероятность нахождения входных данных, которые сгенерировали конкретный выход, крайне мала.

Сопротивление второй прев изображение

Атака второго предобраза происходит, когда кто-то может найти конкретный ввод, который генерирует тот же вывод, что и другой известный ввод. Любая хэш-функция, устойчивая к коллизиям, также устойчива к атакам второго предобраза.

Применение в минтинге криптовалют

В процессе майнинга Биткойна хэш-функции играют ключевую роль. Майнеры должны выполнять бесчисленные операции хеширования, чтобы найти действительное решение для следующего блока. В частности, майнеру необходимо сгенерировать хэш для своего кандидатного блока, который начинается с определенного количества нулей, заданного сложностью майнинга.

Сложность майнинга автоматически регулируется протоколом Биткойн, чтобы поддерживать среднее время майнинга блока близким к 10 минутам, независимо от колебаний хешрейта сети.

Заключительные замечания

Хэш-функции являются незаменимыми инструментами в компьютерных науках, особенно при работе с большими объемами данных. При комбинировании с методами шифрования хэш-алгоритмы становятся чрезвычайно универсальными, предлагая безопасность и аутентификацию различными способами. Криптографические хэш-функции жизненно важны для практически всех криптовалютных сетей, что делает понимание их свойств и механизмов работы необходимым для любого, кто интересуется технологией блокчейн.