Wie funktioniert Hashing in Blockchain?

Eine kryptografische Hash-Funktion, ein Begriff, der im Zusammenhang mit Bitcoin und Kryptowährungen häufig verwendet wird, ist ein Eckpfeiler der Blockchain-Technologie. Diese mathematische Funktion nimmt eine Eingabe oder eine „Nachricht“ und wandelt sie in eine Zeichenfolge fester Größe um, die als „Hash“ bezeichnet wird.

Hashing, der Prozess der Anwendung einer Hash-Funktion auf eine Eingabe, ist nicht nur im Bitcoin-Protokoll, sondern im weiteren Sinne der Informationssicherheit ein entscheidendes Element. In der Blockchain umfasst dieser Prozess typischerweise die Umwandlung der Daten innerhalb eines Blocks in einen Hash, der dann in diesem Block gespeichert wird.

Dieser Mechanismus ist für die Aufrechterhaltung der Sicherheit und Integrität der Blockchain von entscheidender Bedeutung. Wenn man die Rolle des Hashings versteht, erhält man einen Einblick in die grundlegenden Aspekte der Blockchain-Technologie und ihre Bedeutung sowohl im Bereich der Kryptowährung als auch der Informationssicherheit.

Was ist eine Hash-Funktion in Kryptowährungen?

Eine Hash-Funktion ist im Grunde eine mathematische Operation, die Eingaben beliebiger Größe akzeptiert, diese verarbeitet und eine Ausgabe fester Größe, den sogenannten Hash, erzeugt. Diese Transformation ist konsistent: Unabhängig von der Länge der Eingabe – sei es ein einzelner Buchstabe, ein Wort, ein Satz oder ein ganzes Buch – behält der Hash, oft auch als Digest bezeichnet, eine konstante Länge.

Diese Funktion von Hash-Funktionen wird häufig in der Informationssicherheit genutzt, insbesondere beim Schutz von Passwörtern. Wenn Sie ein Konto auf einer Website registrieren, wird Ihr Passwort durch eine Hash-Funktion umgewandelt, was zu einem Hash-Digest führt, der dann vom Dienst gespeichert wird. Beim Anmelden durchläuft das von Ihnen eingegebene Passwort dieselbe Hash-Funktion und der resultierende Hash wird mit dem gespeicherten verglichen, um Ihre Identität zu überprüfen.

Diese Methode erhöht die Sicherheit, denn selbst wenn ein Hacker mit diesen Hash-Digests Zugriff auf die Datenbank erhält, ist es äußerst schwierig, das ursprüngliche Passwort aus dem Hash zu entschlüsseln. Dies liegt am Design der Hash-Funktion, das es rechnerisch unmöglich macht, den Prozess umzukehren oder zwei verschiedene Eingaben zu finden, die dieselbe Hash-Ausgabe erzeugen (eine Eigenschaft, die als Kollisionsresistenz bezeichnet wird).

Darüber hinaus implementieren moderne Systeme häufig „Salting“, eine Technik, bei der dem Passwort vor dem Hashing ein eindeutiger Wert hinzugefügt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass selbst identische Passwörter zu unterschiedlichen Hashes führen, was die Versuche von Hackern, vorberechnete Tabellen (wie Regenbogentabellen) zum Knacken der Passwörter zu verwenden, weiter erschwert. Dieser robuste Sicherheitsmechanismus ist ein wesentlicher Bestandteil des Schutzes von Benutzerdaten auf verschiedenen Online-Plattformen.

Schlüsselfunktionen des Hashings

Hashing, ein grundlegender Aspekt der Blockchain-Technologie, erfüllt mehrere wichtige Funktionen:

Erhöhte Sicherheit : Hash-Funktionen sind als Einwegoperationen konzipiert, was es äußerst schwierig macht, von ihrem Hash zur ursprünglichen Eingabe zurückzukehren. Diese Eigenschaft ist in der Blockchain von entscheidender Bedeutung, da eine Änderung der Daten innerhalb eines Blocks dessen Hash ändert. Dadurch wird jede Änderung sichtbar und die Integrität der Blockchain bleibt gewahrt. Dieser einseitige Charakter des Hashing verhindert potenzielle Datenmanipulationen und bewahrt die Vertrauenswürdigkeit der Blockchain.

Erleichterung der Datenüberprüfung : Hashes spielen eine wichtige Rolle bei der Überprüfung der Authentizität von Blockchain-Daten. Durch den Vergleich des Hashs eines Blocks mit dem Hash, auf den im nachfolgenden Block verwiesen wird, ist es möglich, die Integrität der Daten zu bestätigen. In Netzwerken wie Bitcoin enthält jeder Block den Hash des vorherigen Blocks, wodurch eine voneinander abhängige Kette entsteht. Jeder Versuch, frühere Daten zu ändern, unterbricht diese Kette, macht nachfolgende Hashes ungültig und macht das Netzwerk auf mögliche Manipulationen aufmerksam.

Als Blockzeiger fungieren : Hashes fungieren auch als Zeiger innerhalb der Blockchain. Durch die Speicherung des Hashs eines Blocks im folgenden Block wird eine sequentielle Verknüpfung hergestellt. Diese Verknüpfungsmethode bildet die Struktur der Blockchain, in der jeder Block durch seinen einzigartigen Hash miteinander verbunden ist und so eine chronologische und ununterbrochene Datenkette gewährleistet.

Unterstützende Konsensmechanismen : In Blockchain-Netzwerken, die Proof-of-Work (PoW) -Konsensmechanismen verwenden, wie Bitcoin, ist Hashing von entscheidender Bedeutung. Miner müssen komplexe Hash-Rätsel lösen, um neue Blöcke zu validieren und zur Blockchain hinzuzufügen. Der Schwierigkeitsgrad dieser Rätsel ist anpassbar, wodurch die Geschwindigkeit der Erstellung neuer Blöcke reguliert und die Netzwerkstabilität aufrechterhalten wird. Dieser Prozess gewährleistet eine dezentrale und demokratische Methode zur Validierung von Transaktionen und zur Aufrechterhaltung der Blockchain.

Insgesamt ist Hashing nicht nur ein Sicherheitsmerkmal; Es handelt sich um ein vielseitiges Tool, das die Funktionalität, Integrität und Zuverlässigkeit von Blockchain-Netzwerken untermauert. Da Hashing eine sichere, überprüfbare und vernetzte Datenspeicherung ermöglicht, ist es für den effizienten und vertrauenswürdigen Betrieb von Blockchain-Systemen unverzichtbar.

Wie funktioniert Hashing im Allgemeinen?

Der Hashing-Prozess ist ein wesentlicher Bestandteil der Datensicherheit und -integrität und besteht aus mehreren wichtigen Schritten:

Verarbeitung von Eingaben durch den Hashing-Algorithmus : Hashing beginnt mit Eingabedaten, bei denen es sich um alles Mögliche handeln kann, von einer Textzeichenfolge über eine Datei bis hin zu einer Reihe von Transaktionen innerhalb einer Blockchain. Diese Eingabe wird durch einen Hashing-Algorithmus verarbeitet, der verschiedene mathematische und logische Operationen anwendet. Zu diesen Operationen können mathematische Transformationen, bitweise Operationen und logische Funktionen gehören, die die Eingabe in einen Hash umwandeln.

Erstellen eines eindeutigen Hash als digitalen Fingerabdruck : Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein Hash, ähnlich einem digitalen Fingerabdruck der ursprünglichen Eingabe. Dieser Hash, oft eine Folge hexadezimaler Zeichen, hat eine feste Länge und variiert je nach gewähltem Algorithmus. Der Kern des Hashings liegt in seiner einseitigen Funktionsnatur, was es äußerst schwierig macht, die ursprüngliche Eingabe aus dem Hash zurückzuentwickeln. Diese Eigenschaft ist in Szenarien wie der Blockchain von entscheidender Bedeutung, in denen eine Änderung der Daten in einem Block seinen Hash ändert und so mögliche Datenmanipulationen anzeigt.

Speichern des Hash als digitale Signatur : Nach der Erstellung wird der Hash zusammen mit den Daten in einem Block gespeichert und fungiert als digitale Signatur, die die Integrität der Daten überprüft. Wenn ein Datenabruf erforderlich ist, wird durch die Neuberechnung des Hashs und dessen Abgleich mit dem gespeicherten Hash bestätigt, dass keine Manipulation vorliegt.

Über diese Schritte hinaus spielen Hashing-Algorithmen eine zentrale Rolle in anderen Sicherheitsanwendungen:

Passwortauthentifizierungssysteme: In solchen Systemen wird das Passwort eines Benutzers gehasht und dann mit dem gespeicherten Hash des richtigen Passworts verglichen. Ein Abgleich gewährt Zugriff und stellt sicher, dass selbst bei einer Kompromittierung einer Passwortdatenbank die tatsächlichen Passwörter aufgrund der Komplexität der Hash-Umkehr verborgen bleiben.

Im Wesentlichen dient Hashing als grundlegendes Instrument zur Gewährleistung der Datensicherheit und -integrität in verschiedenen Anwendungen, von Blockchain-Transaktionen bis hin zum Passwortschutz. Sein einseitiger Charakter und die Komplexität der damit verbundenen Vorgänge machen es zu einer robusten Methode zum Schutz digitaler Informationen.

Beliebte Hashing-Methoden, die in Blockchain-Systemen weit verbreitet sind

Die Blockchain-Technologie nutzt eine Vielzahl von Hashing-Algorithmen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften, um die Datensicherheit und -integrität zu gewährleisten. Einige der bemerkenswertesten Hashing-Algorithmen, die in der Blockchain verwendet werden, sind:

SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit) : SHA-256 wurde 2001 von der National Security Agency (NSA) entwickelt und ist ein prominenter Hashing-Algorithmus im Blockchain-Bereich. Es generiert eine 64-stellige Zeichenfolge und bildet einen 256-Bit-Hash. Aufgrund seiner robusten Sicherheitsfunktionen ist es bei vielen Kryptowährungen, einschließlich Bitcoin, eine beliebte Wahl.

Scrypt : Scrypt ist eine Schlüsselableitungsfunktion, die speicherintensiver ist als andere Algorithmen. Dieser erhöhte Speicherbedarf macht es widerstandsfähiger gegen Angriffe mit spezieller Hardware. Scrypt wird in verschiedenen Kryptowährungen, einschließlich Litecoin, eingesetzt und erhöht deren Sicherheit vor hardwarebasierten Bedrohungen.

Ethash : Ethash ist auf die Ethereum-Blockchain zugeschnitten und ein speicherintensiver Hashing-Algorithmus. Es ist so konstruiert, dass es resistent gegen ASIC-Miner (Application-Specific Integrated Circuit) ist, bei denen es sich um hochspezialisierte Hardware handelt, die für effizientes Kryptowährungs-Mining entwickelt wurde. Das Design von Ethash zielt darauf ab, den Bergbauprozess zu demokratisieren und ihn einem breiteren Spektrum von Teilnehmern zugänglich zu machen.

Equihash : Equihash ist ein weiterer speichergebundener Hashing-Algorithmus, der für seine Widerstandsfähigkeit gegenüber ASIC-Mining bekannt ist. Es wird von mehreren Kryptowährungen wie Zcash genutzt, um eine gerechtere Mining-Landschaft zu fördern, in der spezielle Hardware weniger Vorteile bietet.

Obwohl sich diese Algorithmen in ihrem Ansatz und ihren spezifischen Eigenschaften unterscheiden, haben sie im Wesentlichen alle ein gemeinsames Ziel: eine Eingabe in einen Hash fester Größe umzuwandeln. Dieser Hash fungiert als einzigartiger digitaler Fingerabdruck der Eingabe und spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Sicherheit und Authentizität von Blockchain-Transaktionen und -Daten.

Beim Hashing ist Kollisionsresistenz ein Schlüsselmerkmal

Beim Hashing bezieht sich eine Kollision auf das Ereignis, bei dem zwei unterschiedliche Eingaben dieselbe Hash-Ausgabe erzeugen. Theoretisch ist dies möglich, da die Menge aller möglichen Hash-Ausgaben endlich ist, während die Menge möglicher Eingaben unendlich ist. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit, dass es in der Praxis zu einer Kollision kommt, außerordentlich gering, sodass Hashing-Algorithmen gegen solche Vorkommnisse resistent, wenn auch nicht völlig immun sind.

Am Beispiel von SHA-256, das in der Bitcoin-Blockchain verwendet wird, werden Hashes mit einer Länge von 256 Bit erzeugt. Dies entspricht 2^256 möglichen einzigartigen Hash-Kombinationen, eine so große Zahl, dass man sie kaum begreifen kann. Um dies ins rechte Licht zu rücken: 2^256 ist ungefähr vergleichbar mit der Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum.

Wenn die Anzahl der Eingaben die Gesamtzahl der möglichen eindeutigen Hashes übersteigt, ergeben theoretisch mindestens zwei Eingaben denselben Hash, was zu einer Kollision führt. Aber in Wirklichkeit macht die astronomische Anzahl einzigartiger Kombinationen in SHA-256 die praktische Wahrscheinlichkeit, auf eine solche Kollision zu stoßen, vernachlässigbar.

Diese immense Anzahl potenzieller Ausgänge verhindert, dass Hashing ausgenutzt wird. Die schiere Größe dieser Zahlen gewährleistet eine äußerst geringe Wahrscheinlichkeit von Kollisionen und trägt so zur Sicherheit und Zuverlässigkeit des Hashings in der Blockchain-Technologie bei. Trotz der theoretischen Möglichkeit sind die praktischen Risiken solcher Ereignisse bei gut konzipierten Hashing-Algorithmen wie SHA-256 verschwindend gering, was ihre Wirksamkeit bei der Sicherung digitaler Transaktionen und der Datenintegrität in Blockchain-Systemen verstärkt.

Hashing-Funktionen sind so konzipiert, dass sie nicht invertierbar sind

Das Umkehren einer Hash-Funktion zur Ermittlung ihrer ursprünglichen Eingabe ist eine außerordentlich anspruchsvolle Aufgabe, die mit der aktuellen Technologie an das Unmögliche grenzt. Im Wesentlichen sind Hash-Funktionen als Einwegprozesse konzipiert. Ausgehend von einer Ausgabe ist es nahezu unmöglich, auf die ursprüngliche Eingabe zu schließen, die sie erzeugt hat.

Die primäre Methode, diese Umkehrung zu versuchen, ist die sogenannte Brute-Force-Methode, bei der systematisch jede mögliche Saite ausprobiert wird, bis man auf die richtige stößt. Allerdings ist die Praktikabilität dieses Ansatzes höchst fraglich. Die zur Ausführung einer solchen Operation erforderliche Rechenleistung übersteigt selbst die Fähigkeiten der fortschrittlichsten Supercomputer.

Betrachten Sie beispielsweise IBM Summit, einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, der mehrere Billionen Berechnungen pro Sekunde ausführen kann. Selbst mit dieser immensen Rechenleistung würde Summit eine enorme Zeitspanne, möglicherweise Jahre, und eine unglaubliche Energiemenge benötigen, um einen einzelnen Hash erfolgreich zurückzuentwickeln. Dieses Szenario verdeutlicht, wie unpraktisch und nahezu unmöglich es ist, Hashes umzukehren, insbesondere solche, die so komplex sind wie SHA-256, das in Blockchain-Technologien verwendet wird.

Diese inhärente Schwierigkeit verstärkt den Sicherheitsaspekt des Hashings in kryptografischen Anwendungen. Es stellt sicher, dass vertrauliche Daten, sobald sie gehasht sind, selbst vor den ausgefeiltesten Entschlüsselungsversuchen sicher bleiben, was Hash-Funktionen zu einem Eckpfeiler moderner Cybersicherheitsprotokolle und Blockchain-Integrität macht.

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