فهم دوال التجزئة في العملات الرقمية

التجزئة هي عملية تُنتج مخرجات ثابتة الحجم من مدخلات متغيرة الحجم باستخدام صيغ رياضية تُعرف بوظائف التجزئة. في حين أن ليس كل وظائف التجزئة تتضمن التشفير، فإن وظيفة تجزئة العملات الرقمية تعتبر أساسية للعملات المشفرة، مما يمكّن سلاسل الكتل وغيرها من الأنظمة الموزعة من تحقيق مستويات كبيرة من سلامة البيانات والأمان.

كل من دوال التجزئة العادية ودوال التجزئة العملات الرقمية هي دوال حتمية، مما يعني أنه طالما تظل بيانات الإدخال دون تغيير، ستنتج خوارزمية التجزئة دائمًا نفس النتيجة ( المعروف أيضًا بالهضم أو التجزئة ).

تُصمم خوارزميات تجزئة العملات الرقمية عادةً كوظائف ذات اتجاه واحد، مما يجعل من الصعب عكسها دون وقت وموارد حسابية كبيرة. بعبارة أخرى، من السهل نسبيًا توليد مخرج من مدخل، ولكن من الصعب جدًا العودة في الاتجاه المعاكس. عمومًا، كلما كان من الصعب العثور على المدخل، اعتُبر أن وظيفة التجزئة أكثر أمانًا.

كيف تعمل وظيفة التجزئة؟

تنتج وظائف التجزئة المختلفة نتائج بأحجام متفاوتة، ولكن أحجام المخرجات الممكنة لكل خوارزمية تجزئة تكون دائمًا ثابتة. على سبيل المثال، يمكن لخوارزمية SHA-256 إنتاج نتائج بحجم 256 بت فقط، بينما تولد SHA-1 دائمًا تجزئة بحجم 160 بت.

لتوضيح ذلك، دعنا نمرر كلمتي "Gate" و "Gate" من خلال خوارزمية تجزئة SHA-256 ( المستخدمة في البيتكوين ).

SHA-256

الإخراج

إخراج (256 بت)

بوابة

7f43e4e2c9d9e6249ba0df8a911b46400f6fd5e9993a5f1ea65e4633e2de5a6c

بوابة

9c6b057a2b9d96746c38a3f4e466678e1b4c4425ff8fe9659e96c903e7a1f3cc

لاحظ أن تغييرًا طفيفًا ( في حالة الحرف الأول ) أدى إلى قيمة تجزئة مختلفة تمامًا. ولكن نظرًا لأننا استخدمنا SHA-256، فإن المخرجات ستظل دائمًا بحجم ثابت يبلغ 256 بت ( أو 64 حرفًا ) بغض النظر عن حجم المدخلات. علاوة على ذلك، بغض النظر عن عدد مرات تشغيل الكلمتين عبر الخوارزمية، ستظل المخرجات ثابتة.

وإذا قمنا بتمرير نفس المدخلات عبر خوارزمية تجزئة SHA-1، فإننا نحصل على النتائج التالية:

SHA-1

مخرج

(160 bits) الإخراج

بوابة

F8E4EBA8D46E2B1079E6a1A8ABF0A0D8C3A81D73

جيت

b7e23ec29af22b0b4e41da31e868d57226121c84

من المثير للاهتمام أن SHA تعني خوارزميات التجزئة الآمنة. إنها مجموعة من وظائف تجزئة العملات الرقمية التي تشمل خوارزميات SHA-0 و SHA-1، وكذلك مجموعات SHA-2 و SHA-3. SHA-256 هو جزء من عائلة SHA-2، إلى جانب SHA-512 وأشكال أخرى. حاليًا، تعتبر مجموعات SHA-2 و SHA-3 فقط آمنة.

لماذا هذه التقنية مهمة؟

تتمتع وظائف التجزئة التقليدية بمجموعة واسعة من الاستخدامات، بما في ذلك البحث في قواعد البيانات، وتحليل الملفات الكبيرة، وإدارة البيانات. من ناحية أخرى، تُستخدم وظائف تجزئة العملات الرقمية على نطاق واسع في تطبيقات أمان المعلومات، مثل مصادقة الرسائل وبصمات الأصابع الرقمية. عندما يتعلق الأمر ببيتكوين، تُعتبر وظائف تجزئة العملات الرقمية جزءًا لا يتجزأ من عملية التعدين وتلعب أيضًا دورًا في إنشاء عناوين ومفاتيح جديدة.

تظهر القوة الحقيقية للتجزئة عند العمل مع كميات كبيرة من المعلومات. على سبيل المثال، يمكنك تشغيل ملف كبير أو مجموعة بيانات من خلال وظيفة تجزئة ثم استخدام نتائجها للتحقق بسرعة من دقة البيانات وسلامتها. هذا ممكن بفضل الطبيعة الحتمية لوظائف التجزئة: المدخلات تؤدي دائمًا إلى مخرجات مضغوطة ومبسطة (التجزئة). هذه الطريقة تقضي على الحاجة لتخزين و"تذكر" كميات كبيرة من البيانات.

التجزئة مفيدة بشكل خاص في سياق تكنولوجيا البلوكشين. تحتوي سلسلة البلوكشين الخاصة ببيتكوين على العديد من العمليات المتعلقة بالتجزئة، يتم تنفيذ معظمها في عملية التعدين. في الواقع، تعتمد تقريبًا جميع بروتوكولات العملات الرقمية على التجزئة لربط وتجميع مجموعات من المعاملات في كتل وإنشاء روابط تجزئة العملات الرقمية بين كل كتلة، وبالتالي إنشاء سلسلة من الكتل.

وظيفة تجزئة العملات الرقمية

مرة أخرى، يمكن تعريف وظيفة التجزئة التي تستخدم تقنيات العملات الرقمية بأنها وظيفة تجزئة العملات الرقمية. بشكل عام، يتطلب فك تشفير وظيفة تجزئة العملات الرقمية العديد من المحاولات القسرية. "لفك" وظيفة تجزئة العملات الرقمية، من الضروري اختيار المدخلات عن طريق التجربة والخطأ حتى يتم الحصول على مخرج مناسب. ومع ذلك، هناك أيضًا احتمال أن تنتج مدخلات مختلفة نفس النتيجة، وفي هذه الحالة ستحدث "تصادم".

تقنياً، يجب أن تلبي وظيفة تجزئة العملات الرقمية ثلاث خصائص لتعتبر آمنة. يمكننا وصفها كما يلي: مقاومة التصادم ومقاومة هجمات الصورة السابقة الأولى والثانية.

قبل وصف كل خاصية، دعنا نلخص منطقها في ثلاث جمل قصيرة.

• مقاومة التصادم: استحالة العثور على مدخلين مختلفين ينتجان نفس التجزئة.

• مقاومة الصورة الأولى: عدم القدرة على "عكس" وظيفة التجزئة ( للعثور على الإدخال من خلال مخرجات معينة ).

• مقاومة الصورة الثانية: عدم القدرة على العثور على إدخال ثانٍ له نفس التجزئة كالإدخال الأول.

مقاومة التصادم

كما ذُكر سابقًا، تحدث الاصطدامات عندما تنتج مدخلات مختلفة نفس التجزئة. تُعتبر وظيفة التجزئة بعد ذلك مقاومة للاصطدامات حتى يكتشف شخص ما مثل هذا الاصطدام. تجدر الإشارة إلى أن الاصطدامات ستظل موجودة دائمًا لأي من وظائف التجزئة بسبب العدد اللانهائي من المدخلات والعدد المحدود من المخرجات.

لذلك، تعتبر وظيفة التجزئة مقاومة للتصادم عندما تكون احتمالية اكتشاف تصادم صغيرة جدًا لدرجة أنها قد تتطلب ملايين السنين من الحساب. لهذه السبب، على الرغم من عدم وجود وظائف تجزئة خالية من التصادم، إلا أن بعضها قوي لدرجة يمكن اعتبارها مستقرة (مثل، SHA-256).

بين خوارزميات SHA المختلفة، لم تعد مجموعات SHA-0 و SHA-1 آمنة لأن التصادمات قد تم اكتشافها. حالياً، تعتبر فقط مجموعات SHA-2 و SHA-3 مقاومة للتصادم.

مقاومة الصورة الأولى

هذه الخاصية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمفهوم الوظائف ذات الاتجاه الواحد. تعتبر وظيفة التجزئة قوية للعثور على الصورة الأولى طالما أن هناك احتمالًا منخفضًا جدًا أن يتمكن شخص ما من العثور على الإدخال باستخدام الناتج المولد.

لاحظ أن هذه الخاصية تختلف عن السابقة لأن المهاجم يحتاج إلى تخمين المدخلات بناءً على مخرجات معينة. يحدث هذا النوع من التصادم عندما يجد شخص ما مدخلين مختلفين ينتجان نفس المخرج، بغض النظر عن أي مدخل معين تم استخدامه.

تُعتبر خاصية مقاومة الصورة الأولى قيمة لأمان البيانات، حيث يمكن لتجزئة بسيطة للرسالة إثبات مصداقيتها دون الحاجة إلى كشف معلومات إضافية. في الممارسة العملية، يقوم العديد من مقدمي خدمات الويب والتطبيقات بتخزين واستخدام التجزئات الناتجة عن كلمات المرور بدلاً من استخدامها بصيغة نصية.

مقاومة الصورة الثانية

هذا النوع من الاستقرار يقع بين الخاصيتين السابقتين. يتكون هجوم الصورة الثانية من العثور على مدخل محدد يمكن من خلاله توليد مخرج تم توليده بالفعل باستخدام مدخل آخر معروف سابقًا.

بعبارة أخرى، يتضمن هجوم الصورة الثانية كشف الاصطدامات، ولكن بدلاً من العثور على مدخلين عشوائيين يولدان نفس التجزئة، يهدف الهجوم إلى العثور على مدخل يمكنه إعادة إنتاج تجزئة تم إنتاجها بالفعل بواسطة مدخل آخر.

لذلك، فإن أي وظيفة تجزئة تكون مقاومة للاصطدام تكون أيضًا مقاومة لهجمات الصورة السابقة الثانية، حيث تتطلب الأخيرة دائمًا حدوث اصطدام. ومع ذلك، لا يزال من الممكن تنفيذ هجوم الصورة السابقة الأولى على وظيفة متسامحة مع الاصطدام، حيث يتضمن ذلك البحث عن إدخال مع مخرج.

التعدين

هناك العديد من الخطوات في تعدين البيتكوين التي تُنفذ باستخدام وظيفة تجزئة العملات الرقمية. وتشمل هذه التحقق من الرصيد، وربط مدخلات ومخرجات المعاملات، وجمع جميع المعاملات في كتلة لتشكيل شجرة ميركل. ولكن أحد الأسباب الرئيسية وراء أمان سلسلة كتل البيتكوين هو أنه يجب على المعدنين إجراء أكبر عدد ممكن من عمليات التجزئة في النهاية للعثور على الحل الصحيح للكتلة التالية.

يجب على المُعدِّن استخدام عدة مدخلات مختلفة عند توليد تجزئة لكتلته المرشحة. سيكون من الممكن التحقق من الكتلة فقط إذا كان الناتج المولد بشكل صحيح على شكل تجزئة يبدأ بعدد معين من الأصفار. يحدد عدد الأصفار صعوبة التعدين ويختلف وفقًا لمعدل تجزئة الشبكة.

في هذه الحالة، تعتبر التجزئة مقياسًا لقوة الحوسبة التي تستثمرها في تعدين البيتكوين. إذا بدأت التجزئة في الزيادة، سيقوم بروتوكول البيتكوين تلقائيًا بضبط صعوبة التعدين بحيث يكون الوقت المتوسط المطلوب لتعدين كتلة حوالي 10 دقائق. إذا قرر عدد من المعدنين التوقف عن التعدين، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في التجزئة، ستقوم صعوبة التعدين بالتكيف لتسهيل الحساب مؤقتًا ( حتى يعود الوقت المتوسط لتشكيل الكتل إلى 10 دقائق ).

لاحظ أن المعدنين لا يحتاجون إلى البحث عن تصادمات لأن هناك العديد من التجزئات التي يمكنهم توليدها كخروج صالح ( تبدأ بعدد معين من الأصفار ). لذلك، هناك عدة حلول ممكنة لكتلة معينة، ويحتاج المعدنون إلى العثور على واحد فقط منها، وفقًا لحد معين تحدده صعوبة التعدين.

نظرًا لأن تعدين البيتكوين مهمة مكلفة، فلا يوجد لدى المعدنين سبب للغش في النظام، حيث سيؤدي ذلك إلى خسائر مالية كبيرة. وبالتالي، كلما انضم مزيد من المعدنين إلى سلسلة الكتل، ستصبح أكبر وأقوى.

الخاتمة

لا شك أن وظائف التجزئة هي واحدة من الأدوات الرئيسية في الحوسبة، خاصة عند العمل مع كميات كبيرة من البيانات. عند دمجها مع التشفير، يمكن أن تكون خوارزميات التجزئة مفيدة جدًا، حيث توفر الأمان والمصادقة بطرق مختلفة. لذلك، فإن وظيفة تجزئة العملات الرقمية ضرورية تقريبًا لجميع شبكات العملات الرقمية، وفهم خصائصها وآليات تشغيلها مفيد بالتأكيد لأي شخص مهتم بتكنولوجيا البلوكشين.