التجزئة: عنصر أساسي في العملات الرقمية

تتمثل عملية التجزئة في توليد مخرج بحجم ثابت من إدخال متغير. يتم تحقيق ذلك من خلال صيغ رياضية تُعرف باسم دوال التجزئة، والتي تُنفذ كخوارزميات.

في مجال العملات المشفرة، تعد وظائف التجزئة التشفيرية أساسية. بفضلها، تصل شبكات البلوكشين وأنظمة أخرى لامركزية إلى مستويات عالية من سلامة البيانات وأمانها.

كل من وظائف التجزئة التقليدية والوظائف التجزئة التشفيرية هي وظائف حتمية. وهذا يعني أنه إذا لم تتغير المدخلات، فإن الخوارزمية ستنتج دائمًا نفس المخرجات ( والمعروفة أيضًا باسم ملخص أو تجزئة ).

عادةً ما تكون خوارزميات التجزئة في العملات المشفرة مصممة كدوال أحادية الاتجاه، مما يعني أنه لا يمكن عكسها بسهولة دون كمية هائلة من الوقت والموارد الحاسوبية. بمعنى آخر، من السهل الحصول على المخرجات من المدخلات، ولكن من الصعب جدًا القيام بالعكس. كلما كان من الأصعب العثور على المدخلات، كان يُعتبر الخوارزمية أكثر أمانًا.

كيفية عمل دالة التجزئة

كل دالة تجزئة تنتج نتائج بحجم محدد، وهو ثابت لكل خوارزمية. على سبيل المثال، تولد SHA-256 دائمًا مخرجات بحجم 256 بت، بينما تنتج SHA-1 ملخصات بحجم 160 بت.

لتوضيح ذلك ، دعونا نطبق خوارزمية التجزئة SHA-256 ( المستخدمة في Bitcoin ) على الكلمات "Gate" و "Gate":

SHA-256

مدخل

(256 bits) المغادرة

بوابة

8a83f205f3c314f629e3a0128f5f404cfd44b9a95da6d9f1a7b9f50d1f1b3b34

بوابة

7f7e4cf2eb50a0ea9d71edc37d6a1e74cf5e9348f7f9a0321b95e0a8e4097b3e

لنلاحظ أن تغييراً طفيفاً ( في الحرف الأول الكبير) ينتج عنه تجزئة مختلفة تماماً. ومع ذلك، عند استخدام SHA-256، ستظل المخرجات دائماً 256 بت (64 حرفاً)، بغض النظر عن حجم المدخلات. بالإضافة إلى ذلك، لا يهم عدد المرات التي نقوم فيها بمعالجة هذه الكلمات، ستظل النتائج ثابتة.

في المقابل، إذا طبقنا خوارزمية SHA-1 على نفس المدخلات، فسنحصل على:

SHA-1

مدخل

(160 bits) المغادرة

بوابة

3e2a7fe40ac63dbe0a46a6931c74c1d4e6b7447d

بوابة

c1b7368da4b8ef83dbf7ca3d3c3d17e65d799708

من المهم التأكيد على أن SHA تعني خوارزميات التجزئة الآمنة، في إشارة إلى مجموعة من دوال التجزئة التشفيرية التي تشمل SHA-0 و SHA-1 ومجموعات SHA-2 و SHA-3. تنتمي SHA-256 إلى مجموعة SHA-2، جنبًا إلى جنب مع SHA-512 وغيرها من المتغيرات. حاليًا، تعتبر فقط مجموعات SHA-2 و SHA-3 آمنة.

أهمية التجزئة

تستخدم وظائف التجزئة التقليدية لأغراض متنوعة، مثل البحث في قواعد البيانات، وتحليل الملفات الكبيرة، وإدارة المعلومات. من ناحية أخرى، تُستخدم وظائف التجزئة التشفيرية على نطاق واسع في أمن المعلومات، ومصادقة الرسائل، وتوليد بصمات الأصابع. في بيتكوين، تعتبر ضرورية لعملية التعدين وإنشاء عناوين ومفاتيح جديدة.

يظهر الإمكانات الحقيقية للتجزئة عند التعامل مع كميات كبيرة من البيانات. على سبيل المثال، من الممكن معالجة ملف أو مجموعة بيانات ضخمة من خلال دالة تجزئة واستخدام ناتجها للتحقق بسرعة من دقة وسلامة المعلومات. هذا ممكن بفضل الطبيعة الحتمية لدوال التجزئة: ستنتج نفس المدخلات دائمًا ناتجًا مضغوطًا مطابقًا. هذه التقنية تقضي على الحاجة إلى تخزين و"تذكر" كميات كبيرة من المعلومات.

التجزئة مفيدة بشكل خاص في تكنولوجيا blockchain. تتضمن سلسلة الكتل الخاصة بـ Bitcoin العديد من عمليات التجزئة، بشكل أساسي في عملية التعدين. في الواقع، تعتمد تقريبًا جميع بروتوكولات العملات المشفرة على التجزئة لربط وتكثيف مجموعات المعاملات في كتل، فضلاً عن إنشاء روابط تشفيرية بين الكتل، مما يشكل في النهاية سلسلة.

وظائف التجزئة التشفيرية

وظيفة التجزئة التي تنفذ تقنيات تشفيرية تُعرف بوظيفة التجزئة التشفيرية. بشكل عام، يتطلب اختراق واحدة من هذه الوظائف عدد لا يحصى من محاولات القوة الغاشمة. من أجل "عكس" وظيفة التجزئة التشفيرية، سيكون من الضروري تخمين المدخلات من خلال التجربة والخطأ حتى الحصول على المخرج المقابل. ومع ذلك، هناك احتمال أن تنتج مدخلات مختلفة نفس النتيجة بالضبط، وهو ما يعرف بـ "التصادم".

تقنياً، يجب أن تفي وظيفة التجزئة التشفيرية بثلاث خصائص لتعتبر آمنة بشكل فعال: مقاومة الاصطدامات، مقاومة ما قبل الصورة، ومقاومة ما قبل الصورة الثانية.

لنلخص هذه الخصائص في ثلاث جمل موجزة:

• مقاومة التصادمات: من غير الممكن العثور على مدخلين مختلفين ينتجان نفس التجزئة كنتاج.

• مقاومة الصورة السابقة: لا يمكن "عكس" دالة التجزئة ( للعثور على المدخلات لنتيجة معينة ).

• مقاومة الصورة الثانية: من غير الممكن العثور على مدخل ثانٍ يتصادم مع مدخل محدد.

مقاومة التصادمات

تحدث الاصطدامات عندما تنتج مدخلات مختلفة نفس التجزئة بالضبط. تعتبر دالة التجزئة مقاومة للاصطدامات حتى يجد شخص ما واحدة. من المهم ملاحظة أنه ستوجد دائمًا اصطدامات لأي دالة تجزئة، حيث أن المدخلات المحتملة لا نهائية، بينما المخرجات محدودة.

في الممارسة العملية، تكون وظيفة التجزئة مقاومة للتصادمات عندما تكون احتمالية العثور على واحدة منخفضة للغاية لدرجة أنها ستتطلب ملايين السنوات من الحسابات. وبالتالي، على الرغم من عدم وجود وظائف تجزئة خالية من التصادمات، إلا أن بعضها قوي بما يكفي ليعتبر مقاومًا (على سبيل المثال، SHA-256).

بين خوارزميات SHA، لم يعد مجموعا SHA-0 و SHA-1 يعتبران آمنين بسبب العثور على تصادمات. حاليا، يعتبر مجموعا SHA-2 و SHA-3 مقاومين للتصادمات.

مقاومة الصورة الأولية

تتعلق خاصية مقاومة ما قبل الصورة بمفهوم الدوال أحادية الاتجاه. تعتبر دالة التجزئة مقاومة لما قبل الصورة عندما تكون هناك احتمالية منخفضة جدًا لأن يعثر شخص ما على الإدخال الذي أنتج مخرجات معينة.

تختلف هذه الخاصية عن السابقة، حيث سيحاول المهاجم هنا تخمين المدخلات من خلال مراقبة ناتج معين. من ناحية أخرى، تحدث التصادمات عندما يتم العثور على مدخلتين مختلفتين تنتجان نفس الناتج، بغض النظر عن المدخلات التي تم استخدامها.

تعتبر مقاومة ما قبل الصورة قيمة لحماية البيانات، حيث يمكن أن تظهر وظيفة التجزئة البسيطة للرسالة مصداقيتها دون الكشف عن المعلومات الأصلية. في الممارسة العملية، يقوم العديد من مقدمي الخدمات وتطبيقات الويب بتخزين واستخدام التجزئات المولدة من كلمات المرور بدلاً من كلمات المرور النصية.

مقاومة لصورة ثانية

ببساطة، يمكننا أن نقول إن مقاومة الصورة الثانية تقع في نقطة وسط بين الخصائص الأخرى. يحدث هجوم الصورة الثانية عندما ينجح شخص ما في العثور على إدخال محدد يولد نفس الناتج لإدخال آخر معروف بالفعل.

بعبارة أخرى، يتضمن هجوم الصورة الثانية العثور على تصادم، ولكن بدلاً من البحث عن مدخلين عشوائيين ينتجان نفس التجزئة، يتم البحث عن مدخل ينتج نفس التجزئة التي تنتجها مدخل محدد آخر.

لذلك، فإن أي دالة تجزئة مقاومة للاصطدامات ستكون أيضًا مقاومة لهجمات ما قبل الصورة الثانية، حيث ستتضمن هذه الأخيرة دائمًا اصطدامًا. ومع ذلك، لا يزال من الممكن تنفيذ هجوم ما قبل الصورة على دالة مقاومة للاصطدامات، حيث يتطلب الأمر العثور على إدخال فريد بناءً على مخرج فريد.

التعدين

عملية التعدين في البيتكوين تشمل العديد من الخطوات التي تستخدم وظائف التجزئة، مثل التحقق من الأرصدة، وربط المدخلات والمخرجات للمعاملات، وتكثيف المعاملات في كتلة لتكوين شجرة ميركل. ومع ذلك، واحدة من الأسباب الرئيسية التي تجعل سلسلة الكتل الخاصة بالبيتكوين آمنة هي أن المعدنين يجب عليهم إجراء كمية هائلة من عمليات التجزئة للعثور على حل صالح للكتلة التالية.

تحديدًا، يجب على المُعدِّن تجربة مدخلات مختلفة عند إنشاء قيمة التجزئة لكتلة المرشح الخاصة به. لن يتمكنوا من التحقق من كتلتهم إلا إذا قاموا بتوليد تجزئة ناتجة تبدأ بعدد معين من الأصفار. عدد الأصفار يحدد صعوبة التعدين ويختلف وفقًا لمعدل التجزئة المخصص للشبكة.

في هذا السياق، تمثل التجزئة مقدار قوة الحوسبة المستثمرة في تعدين البيتكوين. إذا زادت التجزئة في الشبكة، سيقوم بروتوكول البيتكوين تلقائيًا بضبط صعوبة التعدين للحفاظ على الوقت المتوسط اللازم لتعدين كتلة قريبًا من 10 دقائق. على العكس، إذا توقف عدد من المعدنين عن التعدين، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في التجزئة، ستتم إعادة ضبط صعوبة التعدين، مما يسهل التعدين (حتى يعود الوقت المتوسط للكتلة إلى 10 دقائق).

من المهم أن نلاحظ أن المعدنين لا يحتاجون إلى العثور على تصادمات، حيث توجد عدة التجزئة التي يمكن أن تنتج كخروج صالح ( بدءًا من كمية معينة من الأصفار ). لذلك، هناك حلول متعددة ممكنة لكتلة معينة، ويحتاج المعدنون فقط إلى العثور على واحدة منها، وفقًا للحد الذي تحدده صعوبة التعدين.

نظرًا لأن تعدين البيتكوين مهمة مكلفة، فلا يمتلك المعدّنون حوافز للاحتيال على النظام، حيث سيتسبب ذلك في خسائر مالية كبيرة. كلما انضم مزيد من المعدنين إلى سلسلة الكتل، زادت قوتها ومتانتها.

التأملات النهائية

لا شك أن وظائف التجزئة هي أدوات أساسية في علم الحوسبة، خاصة عندما يتعلق الأمر بكميات كبيرة من البيانات. عند دمجها مع التشفير، تصبح خوارزميات التجزئة متعددة الاستخدامات وتقدم الأمان والمصادقة بطرق متنوعة. لذلك، فإن وظائف التجزئة التشفيرية حيوية تقريبًا لجميع شبكات العملات المشفرة، وفهم خصائصها وآليات عملها مفيد بلا شك لأي شخص مهتم بتكنولوجيا البلوك تشين.