Qu'est-ce que les Hashes ? La technologie qui propulse la sécurité dans le monde de la blockchain

La fonction de hashing est un processus mathématique qui génère une sortie de taille fixe à partir de données d'entrée de taille variable. Ce processus est réalisé à l'aide de formules mathématiques spécifiques connues sous le nom de fonctions hash, qui sont mises en œuvre par le biais d'algorithmes informatiques.

Bien qu'il existe des fonctions hash qui n'incorporent pas d'éléments cryptographiques, les dites fonctions hash cryptographiques constituent le cœur technologique des cryptomonnaies. Grâce à ces fonctions, les réseaux blockchain et d'autres systèmes distribués parviennent à atteindre des niveaux significatifs de sécurité et d'intégrité dans leurs données.

Caractéristiques fondamentales des fonctions hash

Toutes les fonctions hash, tant les conventions que les cryptographiques, partagent une propriété essentielle : le déterminisme. Cela signifie que tant que les données d'entrée restent inchangées, l'algorithme hash générera toujours le même résultat ( également connu sous le nom de digest ou hash).

Les algorithmes hash utilisés dans les cryptomonnaies sont conçus comme des fonctions unidirectionnelles, ce qui implique qu'il est pratiquement impossible de les inverser sans investir une quantité démesurée de temps et de ressources informatiques. En termes pratiques, il est simple de générer une sortie à partir d'une entrée, mais extrêmement difficile de réaliser le processus inverse (déduire l'entrée à partir d'une sortie). En règle générale, plus il est complexe d'obtenir l'entrée originale à partir du hash, plus l'algorithme est considéré comme sûr.

Fonctionnement d'une fonction hash

Les différentes fonctions hash produisent des résultats de tailles différentes, mais la taille de sortie pour chaque algorithme spécifique est toujours constante. Par exemple, l'algorithme SHA-256 ne peut générer que des résultats de 256 bits, tandis que SHA-1 produit toujours un hachage de 160 bits.

Pour illustrer ce concept, analysons ce qui se passe en traitant les mots "Palabra" et "palabra" à travers l'algorithme SHA-256 (le même qui utilise Bitcoin):

| Entrée | Sortie SHA-256 (256 bits) | |---------|----------------------------| | Mot | f39c96107d7bb9e4870c5a4859d95d9329d3cbac1f9a8d3bd4d9b9d62f526e8c | | mot | 8460a8a5855f48887cc55e1f95a20c34835915d43a04fdcf25723643896d9527 |

Observez comment un changement minimum (la majuscule initiale) génère une valeur hash complètement différente. Cependant, en utilisant SHA-256, les sorties auront toujours une taille fixe de 256 bits (ou 64 caractères hexadécimaux) indépendamment de la taille de l'entrée. De plus, peu importe combien de fois nous traitons ces deux mots à travers l'algorithme ; les sorties resteront constantes.

Si nous utilisons l'algorithme SHA-1 avec les mêmes entrées, nous obtenons les résultats suivants :

| Entrée | Sortie SHA-1 (160 bits) | |---------|-------------------------| | Mot | 2a3d74e31e7b9dc5596ef0dfdbec3367dee5ece8 | | mot | 9661166b561e30e68bb7c4be3b1799e749d925be |

Il est intéressant de noter que SHA signifie Secure Hash Algorithms (Algorithmes de Hash Sécurisés). Cette dénomination englobe un ensemble de fonctions de hachage cryptographiques qui incluent les algorithmes SHA-0 et SHA-1, ainsi que les familles SHA-2 et SHA-3. SHA-256 fait partie de la famille SHA-2, avec SHA-512 et d'autres variantes. Actuellement, seules les familles SHA-2 et SHA-3 sont considérées comme cryptographiquement sûres.

Importance des fonctions hash dans la technologie numérique

Les fonctions hash conventionnelles ont de multiples applications, y compris les recherches dans des bases de données, l'analyse de fichiers volumineux et la gestion efficace des données. Pour sa part, les fonctions hash cryptographiques sont largement utilisées dans des applications de sécurité informatique, telles que l'authentification des messages et la vérification de l'intégrité des données. Dans le contexte de Bitcoin, ces fonctions constituent une partie intégrante du processus de minage et jouent un rôle crucial dans la génération d'adresses et de clés.

Le véritable potentiel du hashing se manifeste lorsqu'on travaille avec de grands volumes d'information. Par exemple, il est possible de traiter un fichier volumineux ou un ensemble de données à travers une fonction hash et d'utiliser le résultat pour vérifier rapidement l'intégrité et la précision des données originales. Cela est possible grâce à la nature déterministe des fonctions hash : la même entrée produit toujours une sortie comprimée et simplifiée (le hash). Cette méthode élimine la nécessité de stocker et de "mémoriser" de grands volumes de données.

Le hashing s'avère particulièrement précieux dans le contexte de la technologie blockchain. La chaîne de blocs de Bitcoin intègre de multiples opérations liées au hashing, principalement lors du processus de minage. En fait, pratiquement tous les protocoles de cryptomonnaies reposent sur des fonctions hash pour regrouper les transactions en blocs et créer des liens cryptographiques entre chaque bloc, formant ainsi la chaîne de blocs.

Propriétés essentielles des fonctions de hashage cryptographique

Une fonction hash qui implémente des techniques cryptographiques est définie comme une fonction hash cryptographique. Déchiffrer une fonction hash cryptographique nécessite généralement de nombreuses tentatives de force brute. Pour « inverser » une fonction hash cryptographique, il est nécessaire de sélectionner différentes entrées par essai et erreur jusqu'à obtenir la sortie désirée. Cependant, il existe la possibilité que différentes entrées produisent le même résultat, situation connue sous le nom de « collision ».

Techniquement, pour qu'une fonction de hashage cryptographique soit considérée comme sécurisée, elle doit respecter trois propriétés fondamentales :

1. Résistance aux collisions

Définition: Impossibilité pratique de trouver deux entrées différentes qui produisent le même hash.

Une collision se produit lorsque différentes entrées génèrent le même hash. Une fonction hash est considérée comme résistante aux collisions jusqu'à ce que quelqu'un découvre cette collision. Il est important de mentionner que les collisions existeront toujours pour toute fonction hash en raison du nombre infini d'entrées possibles et du nombre fini de sorties possibles.

Par conséquent, une fonction hash est résistante aux collisions lorsque la probabilité de détecter une collision est si faible qu'elle nécessiterait des millions d'années de calculs informatiques. Pour cette raison, bien qu'il n'existe pas de fonctions hash complètement exemptes de collisions, certaines sont si robustes qu'elles sont considérées comme cryptographiquement sûres ( comme SHA-256).

Parmi les différents algorithmes SHA, les groupes SHA-0 et SHA-1 ne sont plus considérés comme sûrs car des collisions ont été détectées. Actuellement, seules les familles SHA-2 et SHA-3 sont considérées comme résistantes aux collisions.

2. Résistance à la préimage ( ou recherche de la première préimage)

Définition : Impossibilité pratique de "revenir en arrière" la fonction hash ( pour trouver l'entrée à partir d'une sortie déterminée ).

Cette propriété est étroitement liée au concept de fonctions unidirectionnelles. Une fonction hash est considérée comme résistante à la préimage lorsque la probabilité qu'une personne puisse déterminer l'entrée en n'utilisant que la sortie générée est extrêmement faible.

Cette propriété est différente de la résistance aux collisions, car ici l'attaquant essaie de découvrir spécifiquement l'entrée qui a généré un hash particulier, et non n'importe quelle paire d'entrées produisant le même hash.

La résistance à la préimage est fondamentale pour la sécurité des données, car elle permet d'utiliser le hash d'un message pour vérifier son authenticité sans avoir besoin de révéler des informations supplémentaires. En pratique, de nombreux fournisseurs de services web ne stockent que les hashes générés à partir des mots de passe au lieu de les conserver sous forme de texte brut.

3. Résistance à la seconde préimage

Définition : Impossibilité pratique de trouver une deuxième entrée qui génère le même hash qu'une entrée connue.

Cette propriété se situe conceptuellement entre les deux précédentes. Une attaque de seconde préimage consiste à trouver une entrée spécifique qui peut générer une sortie identique à celle produite par une autre entrée précédemment connue.

En d'autres termes, ce type d'attaque implique de détecter des collisions, mais au lieu de rechercher deux entrées aléatoires qui génèrent le même hash, l'objectif est de trouver une entrée alternative qui reproduise le hash déjà généré par une autre entrée connue.

Par conséquent, toute fonction hash résistante aux collisions est également résistante aux attaques de seconde préimage, car ces dernières nécessitent nécessairement une collision. Cependant, il est possible de réaliser une attaque de première préimage contre une fonction résistante aux collisions, car cela implique de rechercher une entrée spécifique à partir d'une sortie.

Minage et fonctions hash

Le processus de minage de Bitcoin comprend de nombreuses étapes qui utilisent des fonctions hash. Ces opérations incluent la vérification des soldes, le lien entre les entrées et les sorties des transactions, et la combinaison de toutes les transactions dans un bloc pour former un arbre de Merkle. Cependant, l'un des principaux facteurs qui garantissent la sécurité de la blockchain de Bitcoin est que les mineurs doivent effectuer un grand nombre d'opérations hash pour trouver la solution correcte pour le prochain bloc.

Un mineur doit utiliser différentes entrées pour générer un hash pour son bloc candidat. Le bloc ne sera valide que si le hash généré commence par un certain nombre de zéros. Le nombre de zéros requis détermine la difficulté de minage et varie en fonction du hashrate du réseau.

Le hashrate représente la puissance de calcul investie dans le minage de Bitcoin. Si le hashrate augmente, le protocole Bitcoin ajuste automatiquement la difficulté de minage pour maintenir un temps moyen de création de blocs d'environ 10 minutes. Si plusieurs mineurs abandonnent l'activité, provoquant une diminution significative du hashrate, la difficulté de minage sera temporairement ajustée à la baisse ( jusqu'à ce que le temps moyen de formation de blocs revienne à 10 minutes ).

Il est important de noter que les mineurs n'ont pas besoin de rechercher des collisions spécifiques, car il existe plusieurs hashes qui peuvent constituer une sortie valide (commençant par le nombre requis de zéros). Par conséquent, il y a plusieurs solutions possibles pour un bloc donné, et les mineurs n'ont besoin de trouver qu'une seule d'entre elles, selon le seuil établi par la difficulté de minage actuelle.

Étant donné que le minage de Bitcoin représente une activité avec un coût énergétique et économique considérable, les mineurs manquent d'incitations à essayer de tromper le système, car cela entraînerait des pertes financières significatives. Par conséquent, plus il y a de mineurs qui rejoignent le réseau blockchain, plus celui-ci deviendra robuste et sécurisé.

La pertinence des fonctions hash dans la cryptographie moderne

Les fonctions hash constituent l'un des outils fondamentaux en informatique, notamment lors du traitement de grands volumes de données. Lorsqu'elles sont combinées avec des techniques cryptographiques, les algorithmes hash s'avèrent extrêmement précieux, offrant sécurité et authentification de diverses manières.

Les fonctions hash cryptographiques sont des éléments essentiels dans pratiquement tous les réseaux de cryptomonnaies actuels. Comprendre leurs propriétés et mécanismes de fonctionnement est indispensable pour quiconque s'intéresse à la technologie blockchain et à son application dans l'écosystème financier numérique.

L'intégration de ces fonctions mathématiques dans les systèmes blockchain permet de garantir l'immuabilité des enregistrements, la vérification efficace des transactions et la génération sécurisée d'adresses cryptographiques, piliers fondamentaux pour construire un système financier numérique fiable et décentralisé.