Що таке hash і чому це важливо в шифруванні?

Хешування є основним процесом у шифруванні, який перетворює дані змінного розміру в вихід фіксованого розміру. Ця процедура виконується за допомогою математичних формул, що називаються хеш-функціями, реалізованими у вигляді алгоритмів.

Хоча не всі функції хешування залучають шифрування, криптографічні функції хешування відіграють ключову роль у світі криптовалют. Завдяки їм блокчейни та інші розподілені системи можуть досягати значних рівнів цілісності та безпеки даних.

Однією з основних характеристик хеш-функцій, як звичайних, так і криптографічних, є їхній детермінізм. Це означає, що при однаковому вхідному значенні алгоритм хешування завжди буде виробляти однаковий вихід, також відомий як дайджест або хеш.

Алгоритми хешування, які використовуються в криптовалютах, зазвичай проектуються як односторонні функції. Це означає, що, хоча генерувати вихідні дані з вхідних даних відносно просто, зворотний процес є надзвичайно складним, що вимагає значних обчислювальних ресурсів. Зазвичай, чим складніше відновити оригінальний вхід, тим безпечнішим вважається алгоритм хешування.

Як працюють функції хешування?

Різні функції хешування можуть генерувати виходи різного розміру, але для кожного конкретного алгоритму розмір виходу завжди є постійним. Наприклад, алгоритм SHA-256 незмінно генерує вихід розміром 256 біт, тоді як SHA-1 завжди виробляє дайджест розміром 160 біт.

Щоб проілюструвати, застосуємо алгоритм хешування SHA-256 (, що використовується у Bitcoin), до слів "Gate" і "Gate":

ША-256

Вхід | Вихід (256 біт) --------|------------------ Ворота | 7f43c1b0e1e6c6e5cb62d3f9a4e3cb9b7d3d3b3e3d3b3e3d3d3b Ворота | 9b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3d3b3d3b3e3d3d3b3e3d3d3b3e3d3d3d

Зверніть увагу, що невелика зміна (капіталізації першої літери) призводить до абсолютно іншого значення хешу. Проте, оскільки ми використовуємо SHA-256, виходи завжди матимуть фіксований розмір 256 біт (або 64 шестнадцяткові символи) - незалежно від розміру вхідних даних. Крім того, не має значення, скільки разів ми виконаємо алгоритм з тими ж вхідними даними, виходи залишаться незмінними.

Чому хеш-функції важливі?

Звичайні хеш-функції мають широкий спектр застосувань, включаючи пошук у базах даних, аналіз великих файлів та управління даними. З іншого боку, криптографічні хеш-функції широко використовуються в додатках безпеки інформації, таких як автентифікація повідомлень та генерація цифрових підписів. У контексті Bitcoin криптографічні хеш-функції є необхідними для процесу мінтінгу та також відіграють ключову роль у генерації нових адрес та ключів.

Справжній потенціал хешування проявляється при роботі з великими обсягами інформації. Наприклад, можна обробити великий файл або набір даних за допомогою хеш-функції та використовувати її вихід для швидкої перевірки точності та цілісності даних. Це можливо завдяки детерміністичній природі хеш-функцій: той самий вхід завжди призведе до конденсованого та спрощеного виходу (hash). Ця техніка усуває необхідність зберігати та "пам'ятати" великі обсяги даних.

Хешування є особливо корисним у контексті технології блокчейн. Блокчейн Біткойна, наприклад, включає в себе численні операції хешування, головним чином у процесі майнінгу. Насправді, практично всі протоколи криптовалют залежать від хешування для групування та конденсації транзакцій у блоки, а також для створення криптографічних зв'язків між кожним блоком, ефективно формуючи блокчейн.

Хеш-функції шифрування та їх властивості

Функція хешування, яка реалізує техніки шифрування, називається криптографічною хеш-функцією. Загалом, зламати криптографічну хеш-функцію вимагає безлічі спроб грубої сили. Щоб "відкотити" криптографічну хеш-функцію, потрібно було б вгадати вхід за допомогою спроб та помилок, поки не буде отримано відповідний вихід.

Щоб вважатися ефективно безпечною, криптографічна хеш-функція повинна мати три основні властивості: опір колізіям, опір до попереднього образу та опір до другого попереднього образу.

Опір до колізії

Колізія виникає, коли різні вхідні дані генерують точно однаковий хеш. Хеш-функція вважається стійкою до колізій, коли ймовірність знаходження колізії настільки низька, що вимагала б неприйнятного обчислювального часу.

Стійкість до попереднього зображення

Ця властивість пов'язана з концепцією односторонніх функцій. Хеш-функція вважається стійкою до попереднього зображення, коли ймовірність того, що хтось знайде вхід, який згенерував певний вихід, є надзвичайно низькою.

Опір до другої пре-образу

Атака другого передображення відбувається, коли хтось може знайти певний вхід, який генерує той самий вихід, що й інший вже відомий вхід. Будь-яка функція хешування, яка є стійкою до зіткнень, також є стійкою до атак другого передображення.

Застосування в мінтингу криптовалют

У процесі мінтингу біткойна функції хешування відіграють вирішальну роль. Майнерам потрібно виконати численні операції хешування, щоб знайти дійсне рішення для наступного блоку. Зокрема, майнеру потрібно згенерувати хеш для свого кандидатного блоку, який починається з певної кількості нулів, визначених складністю мінтингу.

Складність видобутку автоматично регулюється протоколом Bitcoin, щоб підтримувати середній час видобутку блоку близько 10 хвилин, незалежно від коливань у швидкості хешування мережі.

Остаточні зауваження

Функції хешування є незамінними інструментами в комп'ютерних науках, особливо при роботі з великими обсягами даних. Коли їх поєднують з криптографічними техніками, алгоритми хешування стають надзвичайно універсальними, пропонуючи безпеку та аутентифікацію різними способами. Криптографічні функції хешування є життєво важливими для практично всіх мереж криптовалют, тому розуміння їхніх властивостей і механізмів роботи є необхідним для будь-кого, хто цікавиться технологією блокчейн.