Что такое хеши? Технология, обеспечивающая безопасность в мире блокчейн

Функция хеширования - это математический процесс, который генерирует выход фиксированного размера из входных данных переменного размера. Этот процесс осуществляется с помощью конкретных математических формул, известных как функции хеш, которые реализуются через вычислительные алгоритмы.

Хотя существуют хеш-функции, которые не включают криптографические элементы, так называемые криптографические хеш-функции составляют технологическое ядро криптовалют. Благодаря этим функциям сети блокчейн и другие распределенные системы достигают значительных уровней безопасности и целостности своих данных.

Основные характеристики хеш-функций

Все функции хеширования, как традиционные, так и криптографические, обладают одним основным свойством: детерминированностью. Это означает, что пока входные данные остаются неизменными, алгоритм хеширования всегда будет генерировать один и тот же результат (, также известный как дайджест или хеш).

Алгоритмы хеширования, используемые в криптовалютах, разработаны как односторонние функции, что подразумевает, что практически невозможно их отменить без затрат огромного количества времени и вычислительных ресурсов. Практически легко сгенерировать выходные данные из входных данных, но чрезвычайно трудно выполнить обратный процесс (вывести входные данные из выходных данных). Как правило, чем сложнее получить оригинальный ввод из хеша, тем безопаснее считается алгоритм.

Работоспособность функции хеширования

Разные функции хеширования производят результаты разных размеров, но размер выхода для каждого конкретного алгоритма всегда постоянен. Например, алгоритм SHA-256 может генерировать результаты только размером 256 бит, в то время как SHA-1 всегда производит дайджест размером 160 бит.

Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, давайте проанализируем, что происходит при обработке слов "Palabra" и "palabra" через алгоритм SHA-256 ( тот же, который использует Bitcoin):

| Вход | Выход SHA-256 (256 бит) | |---------|----------------------------| | Слово | f39c96107d7bb9e4870c5a4859d95d9329d3cbac1f9a8d3bd4d9b9d62f526e8c | | слово | 8460a8a5855f48887cc55e1f95a20c34835915d43a04fdcf25723643896d9527 |

Обратите внимание, как минимальное изменение (первой заглавной буквы) генерирует совершенно другое значение хеш. Тем не менее, при использовании SHA-256 выходные данные всегда будут иметь фиксированный размер 256 бит (или 64 шестнадцатеричных символа) независимо от размера входных данных. Кроме того, неважно, сколько раз мы обрабатываем эти два слова через алгоритм; выходные данные останутся постоянными.

Если мы используем алгоритм SHA-1 с теми же входными данными, мы получаем следующие результаты:

| Вход | Выход SHA-1 (160 бит) | |---------|-------------------------| | Слово | 2a3d74e31e7b9dc5596ef0dfdbec3367dee5ece8 | | слово | 9661166b561e30e68bb7c4be3b1799e749d925be |

Интересно отметить, что SHA означает Secure Hash Algorithms (Алгоритмы хеширования безопасности). Это обозначение охватывает набор криптографических функций хеширования, включая алгоритмы SHA-0 и SHA-1, а также семьи SHA-2 и SHA-3. SHA-256 является частью семейства SHA-2, вместе с SHA-512 и другими вариантами. В настоящее время только семьи SHA-2 и SHA-3 считаются криптографически безопасными.

Важность хеш-функций в цифровых технологиях

Обычные хеш-функции имеют множество применений, включая поиск в базах данных, анализ объемных файлов и эффективное управление данными. В свою очередь, криптографические хеш-функции широко используются в приложениях компьютерной безопасности, таких как аутентификация сообщений и проверка целостности данных. В контексте Биткойна эти функции являются неотъемлемой частью процесса майнинга и играют ключевую роль в генерации адресов и ключей.

Истинный потенциал хеширования проявляется при работе с большими объемами информации. Например, возможно обработать большой файл или набор данных с помощью функции хеш и использовать результат для быстрой проверки целостности и точности оригинальных данных. Это возможно благодаря детерминированной природе функций хеш: один и тот же ввод всегда выдает сжатый и упрощенный результат (хеш). Этот метод устраняет необходимость в хранении и "запоминании" больших объемов данных.

Хеширование оказывается особенно ценным в контексте технологии блокчейн. Блокчейн Биткойна включает в себя множество операций, связанных с хешированием, в первую очередь в процессе майнинга. На самом деле практически все протоколы криптовалют основаны на хеш-функциях для группировки транзакций в блоки и создания криптографических связей между каждым блоком, таким образом формируя цепочку блоков.

Основные свойства криптографических хеш-функций

Функция хеш, которая реализует криптографические техники, определяется как криптографическая хеш-функция. Расшифровка криптографической хеш-функции обычно требует множества попыток грубой силы. Чтобы "обратиться" к криптографической хеш-функции, необходимо выбирать разные входные данные методом проб и ошибок до получения желаемого результата. Однако существует вероятность, что разные входные данные могут привести к одному и тому же результату, что называется "коллизией".

Технически, чтобы криптографическая хеш-функция считалась безопасной, она должна удовлетворять трем основным свойствам:

1. Устойчивость к коллизиям

Определение: Практическая невозможность найти два разных входа, которые производят один и тот же хеш.

Коллизия происходит, когда разные входы генерируют один и тот же хеш. Хеш-функция считается устойчивой к коллизиям до тех пор, пока кто-то не обнаружит такую коллизию. Важно отметить, что коллизии всегда будут существовать для любой хеш-функции из-за бесконечного числа возможных входов и конечного числа возможных выходов.

Таким образом, функция хеширования устойчива к коллизиям, когда вероятность обнаружения коллизии настолько мала, что для этого потребовались бы миллионы лет вычислительных расчетов. По этой причине, хотя не существует полностью свободных от коллизий функций хеширования, некоторые из них так надежны, что считаются криптографически безопасными (, такими как SHA-256 ).

Среди различных алгоритмов SHA группы SHA-0 и SHA-1 больше не считаются безопасными, поскольку были обнаружены коллизии. В настоящее время только семьи SHA-2 и SHA-3 считаются устойчивыми к коллизиям.

2. Сопротивление к предобразу (o поиск первого предобраза)

Определение: Практическая невозможность "обратного" преобразования хеша ( для нахождения входных данных по заданному выходу ).

Это свойство тесно связано с концепцией односторонних функций. Хеш-функция считается стойкой к предобразу, когда существует крайне низкая вероятность того, что кто-то сможет определить входные данные, используя только сгенерированный выход.

Это свойство отличается от устойчивости к коллизиям, поскольку здесь атакующий пытается конкретно выяснить входные данные, которые сгенерировали определенный хеш, а не любую пару входных данных, которые производят один и тот же хеш.

Сопротивление к предобразованию является основополагающим для безопасности данных, так как это позволяет использовать хеш сообщения для проверки его подлинности без необходимости раскрытия дополнительной информации. На практике многие провайдеры веб-услуг хранят только хеши, сгенерированные из паролей, вместо того чтобы хранить их в открытом текстовом формате.

3. Сопротивление ко второму предобразованию

Определение: Практическая невозможность найти второй ввод, который генерирует такой же хеш, как известный ввод.

Это свойство концептуально находится между двумя предыдущими. Атака второго предобраза заключается в нахождении конкретного входа, который может генерировать выход, идентичный выходу, произведенному другим ранее известным входом.

Другими словами, этот тип атаки подразумевает обнаружение коллизий, но вместо поиска двух случайных входов, которые создают один и тот же хеш, цель состоит в том, чтобы найти альтернативный вход, который воспроизводит хеш, уже сгенерированный другим известным входом.

Таким образом, любая функция хеш, устойчивая к коллизиям, также устойчива к атакам второго предобраза, поскольку последние обязательно требуют коллизии. Однако возможно провести атаку первого предобраза против функции, устойчивой к коллизиям, так как это подразумевает поиск конкретного входа на основе выхода.

Майнинг и функции хеш

Процесс майнинга биткойнов включает в себя множество шагов, которые используют функции хеш. Эти операции включают проверку балансов, связывание входов и выходов транзакций, а также объединение всех транзакций в блок для формирования дерева Меркла. Однако одним из основных факторов, обеспечивающих безопасность блокчейна биткойнов, является то, что майнерам необходимо выполнить большое количество операций хеш для нахождения правильного решения для следующего блока.

miner должен использовать различные входные данные при генерации хеша для своего кандидатного блока. Блок будет действителен только в том случае, если сгенерированный хеш начинается с определенного количества нулей. Количество необходимых нулей определяет сложность майнинга и варьируется в зависимости от хешрейта сети.

Хешрейт представляет собой вычислительную мощность, вложенную в майнинг Биткойна. Если хешрейт увеличивается, протокол Биткойна автоматически регулирует сложность майнинга, чтобы поддерживать среднее время создания блоков около 10 минут. Если несколько майнеров покинут деятельность, что вызовет значительное снижение хешрейта, сложность майнинга временно снизится ( до тех пор, пока среднее время формирования блоков не вернется к 10 минутам ).

Важно отметить, что майнерам не нужно искать конкретные коллизии, поскольку существует множество хешей, которые могут составлять действующий выход (, начинающийся с требуемого количества нулей). Таким образом, для определенного блока существует несколько возможных решений, и майнерам нужно найти только одно из них, в зависимости от порога, установленного текущей сложностью майнинга.

Поскольку майнинг Биткойна представляет собой деятельность с значительными энергетическими и экономическими затратами, у майнеров нет стимулов пытаться обмануть систему, так как это приведет к значительным финансовым убыткам. Следовательно, чем больше майнеров присоединится к сети блокчейн, тем более надежной и безопасной она станет.

Значение хеш-функций в современной криптографии

Функции хеш являются одним из основных инструментов в информатике, особенно при обработке больших объемов данных. Когда они комбинируются с криптографическими методами, алгоритмы хеш становятся чрезвычайно ценными, обеспечивая безопасность и аутентификацию различными способами.

Криптографические функции хеширования являются основными элементами практически всех современных криптовалютных сетей. Понимание их свойств и механизмов работы крайне важно для любого, кто интересуется технологией блокчейн и её применением в цифровой финансовой экосистеме.

Интеграция этих математических функций в блокчейн-системы позволяет гарантировать неизменность записей, эффективную проверку транзакций и безопасную генерацию криптографических адресов, что является основополагающими столпами для построения надежной и децентрализованной цифровой финансовой системы.