Що таке хеші? Технологія, яка забезпечує безпеку у світі блокчейн

Функція хешування – це математичний процес, який генерує вихід фіксованого розміру з даних змінного розміру. Цей процес здійснюється за допомогою специфічних математичних формул, відомих як функції хеш, які реалізуються через обчислювальні алгоритми.

Хоча існують функції хеш, які не включають криптографічні елементи, так звані криптографічні функції хеш становлять технологічне ядро криптовалют. Завдяки цим функціям мережі блокчейн та інші розподілені системи досягають значних рівнів безпеки та цілісності своїх даних.

Основні характеристики хеш-функцій

Усі функції хешу, як звичайні, так і криптографічні, мають одну суттєву властивість: детермінованість. Це означає, що поки вхідні дані залишаються незмінними, алгоритм хешу завжди генеруватиме один і той же результат (, також відомий як дайджест або хеш ).

Алгоритми хешування, що використовуються в криптовалютах, розроблені як односторонні функції, що означає, що практично неможливо їх скасувати без витрати надмірної кількості часу та обчислювальних ресурсів. На практиці легко згенерувати вихідні дані з вхідних, але надзвичайно важко виконати зворотний процес (вивести вхідні дані з виходу). Як правило, чим складніше отримати оригінальний вхід з хешу, тим безпечнішим вважається алгоритм.

Робота функції хеш

Різні функції хешування генерують результати різних розмірів, але розмір виходу для кожного конкретного алгоритму завжди є постійним. Наприклад, алгоритм SHA-256 може генерувати лише результати розміром 256 біт, тоді як SHA-1 завжди виробляє дайджест розміром 160 біт.

Щоб проілюструвати цю концепцію, давайте розглянемо, що відбувається при обробці слів "Palabra" і "palabra" через алгоритм SHA-256 (, той самий, який використовує Bitcoin ):

| Вхід | Вихід SHA-256 (256 біт) | |---------|----------------------------| | Слово | f39c96107d7bb9e4870c5a4859d9329d3cbac1f9a8d3bd4d9b9d62f526e8c | | слово | 8460a8a5855f48887cc55e1f95a20c34835915d43a04fdcf25723643896d9527 |

Спостерігайте, як мінімальна зміна (першої літери в верхньому регістрі) генерує абсолютно інший хеш-значення. Однак при використанні SHA-256 виходи завжди матимуть фіксований розмір 256 біт (або 64 шістнадцяткових символи) незалежно від розміру введення. Крім того, не має значення, скільки разів ми обробляємо ці два слова через алгоритм; виходи залишаться незмінними.

Якщо ми використовуємо алгоритм SHA-1 з тими ж вхідними даними, ми отримуємо наступні результати:

| Вхід | Вихід SHA-1 (160 біт) | |---------|-------------------------| | Слово | 2a3d74e31e7b9dc5596ef0dfdbec3367dee5ece8 | | слово | 9661166b561e30e68bb7c4be3b1799e749d925be |

Цікаво зазначити, що SHA означає Secure Hash Algorithms (Алгоритми хешування безпеки). Ця назва охоплює набір криптографічних хеш-функцій, які включають алгоритми SHA-0 та SHA-1, а також сімейства SHA-2 і SHA-3. SHA-256 є частиною сімейства SHA-2 разом із SHA-512 та іншими варіантами. Наразі лише сімейства SHA-2 і SHA-3 вважаються криптографічно безпечними.

Важливість хеш-функцій у цифрових технологіях

Звичайні хеш-функції мають безліч застосувань, включаючи пошук в базах даних, аналіз об'ємних файлів та ефективне управління даними. У свою чергу, криптографічні хеш-функції широко використовуються в програмах комп'ютерної безпеки, таких як автентифікація повідомлень та перевірка цілісності даних. У контексті Bitcoin ці функції є невід'ємною частиною процесу видобутку і відіграють важливу роль у генерації адрес і ключів.

Справжній потенціал хешування виявляється при роботі з великими обсягами інформації. Наприклад, можливо обробити великий файл або набір даних через хеш-функцію і використати результат для швидкої перевірки цілісності та точності оригінальних даних. Це можливе завдяки детерміністичній природі хеш-функцій: той самий вхід завжди виробляє стиснутий і спрощений вихід (хеш). Цей метод усуває необхідність зберігати і "запам'ятовувати" великі обсяги даних.

Хешування є особливо цінним у контексті технології блокчейн. Блокчейн Біткоїна включає численні операції, пов'язані з хешуванням, переважно під час процесу видобутку. Насправді, практично всі протоколи криптовалют ґрунтуються на хеш-функціях для групування транзакцій у блоки та створення криптографічних зв'язків між кожним блоком, формуючи таким чином блокчейн.

Основні властивості криптографічних хеш-функцій

Функція хеш, яка реалізує криптографічні техніки, визначається як криптографічна функція хеш. Дешифрування криптографічної функції хеш зазвичай вимагає численних спроб перебору. Щоб "відновити" криптографічну функцію хеш, необхідно вибрати різні вхідні дані шляхом проб і помилок, поки не буде отримано бажаний вихід. Однак існує ймовірність, що різні вхідні дані можуть дати один і той же результат, ситуація, відома як "колізія".

Технічно, щоб криптографічна функція хешування вважалася безпечною, вона повинна відповідати трьом основним властивостям:

1. Стійкість до колізій

Визначення: Практична неможливість знайти два різних входи, які виробляють один і той же хеш.

Колізія відбувається, коли різні вхідні дані генерують один і той же хеш. Хеш-функція вважається стійкою до колізій, поки хтось не виявить таку колізію. Важливо зазначити, що колізії завжди існуватимуть для будь-якої хеш-функції через нескінченну кількість можливих вхідних даних і скінченну кількість можливих виходів.

Отже, функція хеш є стійкою до колізій, коли ймовірність виявлення колізії настільки мала, що вимагала б мільйони років обчислювальних розрахунків. З цієї причини, хоча не існує функцій хеш, повністю вільних від колізій, деякі з них настільки надійні, що вважаються криптографічно безпечними (як SHA-256).

Серед різних алгоритмів SHA групи SHA-0 та SHA-1 більше не вважаються безпечними, оскільки були виявлені колізії. Наразі лише сімейства SHA-2 і SHA-3 вважаються стійкими до колізій.

2. Стійкість до преобразування ( або пошук першого преображення )

Визначення: Практична неможливість "відкотити" функцію хеш ( знайти вхід на основі певного виходу ).

Ця властивість тісно пов'язана з концепцією односторонніх функцій. Функція хеш вважається стійкою до передображення, коли існує надзвичайно низька ймовірність того, що хтось зможе визначити вхідні дані, використовуючи лише згенерований вихід.

Ця властивість відрізняється від стійкості до колізій, оскільки тут зловмисник намагається конкретно виявити вхідні дані, які згенерували певний хеш, а не будь-яку пару входів, які виробляють той же хеш.

Опір попередньому зображенню є основоположним для безпеки даних, оскільки дозволяє використовувати хеш повідомлення для перевірки його автентичності без необхідності розкривати додаткову інформацію. На практиці багато постачальників веб-послуг зберігають лише хеші, згенеровані з паролів, замість того щоб зберігати їх у вигляді звичайного тексту.

3. Стійкість до другої преобразування

Визначення: Непрактична неможливість знайти другий вхід, який генерує той самий хеш, що й відомий вхід.

Ця властивість концептуально розташована між двома попередніми. Атака другого передображення полягає в знаходженні специфічного входу, який може генерувати вихід, ідентичний тому, що був отриманий від іншого раніше відомого входу.

Іншими словами, цей тип атаки передбачає виявлення колізій, але замість того, щоб шукати два випадкові входи, які генерують один і той же хеш, мета полягає в тому, щоб знайти альтернативний вхід, який відтворює вже згенерований хеш від іншого відомого входу.

Отже, будь-яка функція хеш, стійка до колізій, також є стійкою до атак другого передзображення, оскільки останні вимагають обов'язкової колізії. Однак можливий напад на перше передзображення проти функції, стійкої до колізій, оскільки це передбачає пошук конкретного введення на основі виходу.

Майнінг та функції хеш

Процес видобутку Bitcoin включає численні етапи, які використовують функції хеш. Ці операції включають перевірку залишків, зв'язування входів і виходів транзакцій, а також об'єднання всіх транзакцій в блок для формування дерева Меркла. Проте одним із основних факторів, що забезпечують безпеку блокчейну Bitcoin, є те, що майнери повинні виконувати велику кількість операцій хеш, щоб знайти правильне рішення для наступного блоку.

Майнер повинен використовувати різні входи для генерації хешу для свого кандидатного блоку. Блок буде дійсним лише якщо згенерований хеш починається з певної кількості нулів. Кількість необхідних нулів визначає складність майнінгу і варіюється залежно від хешрейту мережі.

Хешрейт представляє собою обчислювальну потужність, інвестовану в майнінг Біткоїна. Якщо хешрейт збільшується, протокол Біткоїна автоматично налаштовує складність майнінгу, щоб підтримувати середній час створення блоків приблизно 10 хвилин. Якщо кілька майнерів покинуть цю діяльність, спричинивши значне зменшення хешрейту, складність майнінгу тимчасово знизиться (, поки середній час формування блоків не повернеться до 10 хвилин ).

Важливо зазначити, що майнери не повинні шукати конкретні колізії, оскільки існує кілька хешів, які можуть становити дійсний вихід (, що починається з необхідної кількості нулів ). Тому існує кілька можливих рішень для певного блоку, і майнери повинні знайти лише одне з них відповідно до порогу, встановленого поточною складністю майнінгу.

Оскільки майнінг біткоїнів є діяльністю з значними енергетичними та економічними витратами, шахтарі не мають стимулів намагатися обманути систему, оскільки це призвело б до значних фінансових втрат. Отже, чим більше шахтарів приєднується до мережі блокчейн, тим більш надійною та безпечною вона стає.

Важливість функцій хеш в сучасній криптографії

Хеш-функції є одним з основних інструментів в інформатиці, особливо при обробці великих обсягів даних. Коли вони поєднуються з криптографічними техніками, алгоритми хешу стають надзвичайно цінними, забезпечуючи безпеку та автентифікацію різними способами.

Криптографічні хеш-функції є суттєвими елементами практично всіх сучасних криптовалютних мереж. Розуміння їхніх властивостей та механізмів роботи є необхідним для будь-кого, хто цікавиться технологією блокчейн та її застосуванням у цифровій фінансовій екосистемі.

Інтеграція цих математичних функцій у системи блокчейн дозволяє гарантувати незмінність записів, ефективну перевірку транзакцій і безпечну генерацію криптографічних адрес, що є основними стовпами для створення надійної та децентралізованої цифрової фінансової системи.