O que são os Hashes? A tecnologia que impulsiona a segurança no mundo blockchain

A função de hashing é um processo matemático que gera uma saída de tamanho fixo a partir de dados de entrada de tamanho variável. Este processo é realizado através de fórmulas matemáticas específicas conhecidas como funções hash, que são implementadas através de algoritmos computacionais.

Embora existam funções hash que não incorporam elementos criptográficos, as chamadas funções hash criptográficas constituem o núcleo tecnológico das criptomoedas. Graças a essas funções, as redes blockchain e outros sistemas distribuídos conseguem alcançar níveis significativos de segurança e integridade em seus dados.

Características fundamentais das funções hash

Todas as funções hash, tanto as convencionais como as criptográficas, partilham uma propriedade essencial: o determinismo. Isto significa que enquanto os dados de entrada permanecerem inalterados, o algoritmo hash gerará sempre o mesmo resultado ( também conhecido como digest ou hash ).

Os algoritmos hash utilizados em criptomoedas são projetados como funções unidireccionais, o que implica que é praticamente impossível revertê-los sem investir uma quantidade desmesurada de tempo e recursos computacionais. Em termos práticos, é simples gerar uma saída a partir de uma entrada, mas extremamente difícil realizar o processo inverso (deduzir a entrada a partir de uma saída). Como regra geral, quanto mais complexo for obter a entrada original a partir do hash, mais seguro é considerado o algoritmo.

Funcionamento de uma função hash

As diferentes funções hash produzem resultados de tamanhos distintos, mas o tamanho de saída para cada algoritmo específico é sempre constante. Por exemplo, o algoritmo SHA-256 apenas pode gerar resultados de 256 bits, enquanto o SHA-1 produz sempre um digest de 160 bits.

Para ilustrar este conceito, analisemos o que acontece ao processar as palavras "Palavra" e "palavra" através do algoritmo SHA-256 ( o mesmo que utiliza o Bitcoin ):

| Entrada | Saída SHA-256 (256 bits) | |---------|----------------------------| | Palavra | f39c96107d7bb9e4870c5a4859d95d9329d3cbac1f9a8d3bd4d9b9d62f526e8c | | palavra | 8460a8a5855f48887cc55e1f95a20c34835915d43a04fdcf25723643896d9527 |

Observe como uma mudança mínima ( a letra maiúscula inicial ) gera um valor hash completamente diferente. No entanto, ao utilizar SHA-256, as saídas terão sempre um tamanho fixo de 256 bits ( ou 64 caracteres hexadecimais ) independentemente do tamanho da entrada. Além disso, não importa quantas vezes processemos essas duas palavras através do algoritmo; as saídas permanecerão constantes.

Se utilizarmos o algoritmo SHA-1 com as mesmas entradas, obtemos os seguintes resultados:

| Entrada | Saída SHA-1 (160 bits) | |---------|-------------------------| | Palavra | 2a3d74e31e7b9dc5596ef0dfdbec3367dee5ece8 | | palavra | 9661166b561e30e68bb7c4be3b1799e749d925be |

É interessante destacar que SHA significa Secure Hash Algorithms (Algoritmos de Hash Seguros). Esta denominação engloba um conjunto de funções hash criptográficas que incluem os algoritmos SHA-0 e SHA-1, assim como as famílias SHA-2 e SHA-3. SHA-256 faz parte da família SHA-2, junto com SHA-512 e outras variantes. Atualmente, apenas as famílias SHA-2 e SHA-3 são consideradas criptograficamente seguras.

Importância das funções hash na tecnologia digital

As funções hash convencionais têm múltiplas aplicações, incluindo pesquisas em bases de dados, análise de arquivos volumosos e gestão eficiente de dados. Por sua vez, as funções hash criptográficas são amplamente utilizadas em aplicações de segurança informática, como autenticação de mensagens e verificação de integridade de dados. No contexto do Bitcoin, essas funções constituem uma parte integral do processo de mineração e desempenham um papel crucial na geração de endereços e chaves.

O verdadeiro potencial do hashing manifesta-se ao trabalhar com grandes volumes de informação. Por exemplo, é possível processar um arquivo extenso ou conjunto de dados através de uma função hash e utilizar o resultado para verificar rapidamente a integridade e precisão dos dados originais. Isto é possível graças à natureza determinística das funções hash: a mesma entrada sempre produz uma saída comprimida e simplificada (o hash). Este método elimina a necessidade de armazenar e "memorizar" grandes volumes de dados.

A hash é particularmente valiosa no contexto da tecnologia blockchain. A cadeia de blocos do Bitcoin incorpora múltiplas operações relacionadas com o hash, principalmente durante o processo de mineração. De fato, praticamente todos os protocolos de criptomoedas se baseiam em funções hash para agrupar transações em blocos e criar ligações criptográficas entre cada bloco, formando assim a cadeia de blocos.

Propriedades essenciais das funções hash criptográficas

Uma função hash que implementa técnicas criptográficas é definida como função hash criptográfica. Decifrar uma função hash criptográfica geralmente requer inúmeras tentativas de força bruta. Para "reverter" uma função hash criptográfica, é necessário selecionar diferentes entradas através de tentativa e erro até obter a saída desejada. No entanto, existe a possibilidade de que diferentes entradas produzam o mesmo resultado, situação conhecida como "colisão".

Tecnicamente, para que uma função hash criptográfica seja considerada segura, deve cumprir três propriedades fundamentais:

1. Resistência a colisões

Definição: Impossibilidade prática de encontrar duas entradas diferentes que produzam o mesmo hash.

Uma colisão ocorre quando diferentes entradas geram o mesmo hash. Uma função hash é considerada resistente a colisões até que alguém descubra tal colisão. É importante mencionar que as colisões sempre existirão para qualquer função hash devido ao número infinito de entradas possíveis e ao número finito de saídas possíveis.

Portanto, uma função hash é resistente a colisões quando a probabilidade de detectar uma colisão é tão remota que exigiria milhões de anos de cálculo computacional. Por esta razão, embora não existam funções hash completamente livres de colisões, algumas são tão robustas que são consideradas criptograficamente seguras (como SHA-256).

Entre os diferentes algoritmos SHA, os grupos SHA-0 e SHA-1 já não são considerados seguros porque foram detectadas colisões. Atualmente, apenas as famílias SHA-2 e SHA-3 são consideradas resistentes a colisões.

2. Resistência à pré-imagem (o busca pela primeira pré-imagem)

Definição: Impossibilidade prática de "reverter" a função hash ( encontrar a entrada a partir de uma saída determinada ).

Esta propriedade está intimamente relacionada com o conceito de funções unidirecionais. Uma função hash é considerada resistente à pré-imagem quando existe uma probabilidade extremamente baixa de que alguém possa determinar a entrada usando apenas a saída gerada.

Esta propriedade é diferente da resistência a colisões, uma vez que aqui o atacante tenta descobrir especificamente a entrada que gerou um hash particular, não qualquer par de entradas que produza o mesmo hash.

A resistência à pré-imagem é fundamental para a segurança de dados, pois permite utilizar o hash de uma mensagem para verificar sua autenticidade sem a necessidade de revelar informações adicionais. Na prática, muitos provedores de serviços web armazenam apenas os hashes gerados a partir de senhas em vez de guardá-las em formato de texto simples.

3. Resistência à segunda pré-imagem

Definição: Impossibilidade prática de encontrar uma segunda entrada que gere o mesmo hash que uma entrada conhecida.

Esta propriedade situa-se conceitualmente entre as duas anteriores. Um ataque de segunda pré-imagem consiste em encontrar uma entrada específica que possa gerar uma saída idêntica à produzida por outra entrada previamente conhecida.

Em outras palavras, este tipo de ataque implica detectar colisões, mas em vez de procurar duas entradas aleatórias que gerem o mesmo hash, o objetivo é encontrar uma entrada alternativa que reproduza o hash já gerado por outra entrada conhecida.

Portanto, qualquer função hash resistente a colisões também é resistente a ataques de segunda pré-imagem, uma vez que estes últimos requerem necessariamente uma colisão. No entanto, é possível realizar um ataque de primeira pré-imagem contra uma função resistente a colisões, uma vez que isso implica buscar uma entrada específica a partir de uma saída.

Mineração e funções hash

O processo de mineração de Bitcoin incorpora numerosos passos que utilizam funções hash. Estas operações incluem a verificação de saldos, a vinculação de entradas e saídas de transações, e a combinação de todas as transações em um bloco para formar uma árvore de Merkle. No entanto, um dos principais fatores que garantem a segurança da cadeia de blocos de Bitcoin é que os mineradores devem realizar um elevado número de operações hash para encontrar a solução correta para o próximo bloco.

Um minerador deve utilizar diferentes entradas ao gerar um hash para o seu bloco candidato. O bloco será válido apenas se o hash gerado começar com um determinado número de zeros. A quantidade de zeros exigida determina a dificuldade de mineração e varia de acordo com a taxa de hash da rede.

A hash representa a potência computacional investida na mineração de Bitcoin. Se o hash aumenta, o protocolo Bitcoin ajusta automaticamente a dificuldade de mineração para manter um tempo médio de criação de blocos de aproximadamente 10 minutos. Se vários mineradores abandonarem a atividade, provocando uma diminuição significativa do hash, a dificuldade de mineração será ajustada temporariamente para baixo ( até que o tempo médio de formação de blocos retorne a 10 minutos ).

É importante notar que os mineradores não precisam procurar colisões específicas, uma vez que existem múltiplos hashes que podem constituir uma saída válida (começando com a quantidade necessária de zeros). Portanto, há várias soluções possíveis para um determinado bloco, e os mineradores só precisam encontrar uma delas, de acordo com o limite estabelecido pela dificuldade de mineração atual.

Uma vez que a mineração de Bitcoin representa uma atividade com um custo energético e económico considerável, os mineradores carecem de incentivos para tentar enganar o sistema, uma vez que isso resultaria em perdas financeiras significativas. Como consequência, quanto mais mineradores se juntarem à rede blockchain, mais robusta e segura ela se tornará.

A relevância das funções hash na criptografia moderna

As funções hash constituem uma das ferramentas fundamentais na informática, especialmente ao processar grandes volumes de dados. Quando combinadas com técnicas criptográficas, os algoritmos hash tornam-se extremamente valiosos, proporcionando segurança e autenticação de diversas formas.

As funções hash criptográficas são elementos essenciais em praticamente todas as redes de criptomoedas atuais. Compreender suas propriedades e mecanismos de funcionamento resulta indispensável para qualquer pessoa interessada na tecnologia blockchain e sua aplicação no ecossistema financeiro digital.

A integração dessas funções matemáticas nos sistemas blockchain permite garantir a imutabilidade dos registros, a verificação eficiente de transações e a geração segura de endereços criptográficos, pilares fundamentais para construir um sistema financeiro digital confiável e descentralizado.