Як працює хешування в блокчейні?

Криптографічна хеш-функція, термін, який часто можна почути в контексті біткойнів і криптовалют, є наріжним каменем технології блокчейн. Ця математична функція приймає вхідні дані, або «повідомлення», і перетворює їх на рядок символів фіксованого розміру, відомий як «хеш».

Хешування, процес застосування хеш-функції до вхідних даних, є критично важливим елементом не лише в протоколі біткойн, але й у ширшій сфері інформаційної безпеки. У блокчейні цей процес зазвичай передбачає перетворення даних у блоці на хеш, який потім зберігається в цьому блоці.

Цей механізм життєво важливий для підтримки безпеки та цілісності блокчейну. Розуміючи роль хешування, ми отримуємо розуміння основоположних аспектів технології блокчейн та її значення як у сфері криптовалют, так і в інформаційній безпеці.

Що таке хеш-функція в криптовалютах?

По суті, хеш-функція — це математична операція, яка приймає вхідні дані будь-якого розміру, обробляє їх і створює вихідні дані фіксованого розміру, відомі як хеш. Це перетворення є послідовним: незалежно від довжини вхідних даних – будь то окрема літера, слово, речення чи ціла книга – хеш, який часто називають дайджестом, зберігає постійну довжину.

Ця функція хеш-функцій широко використовується в інформаційній безпеці, зокрема для захисту паролів. Коли ви реєструєте обліковий запис на веб-сайті, ваш пароль перетворюється за допомогою хеш-функції, у результаті чого утворюється хеш-дайджест, який потім зберігається службою. Після входу в систему пароль, який ви вводите, проходить ту саму хеш-функцію, а отриманий хеш порівнюється зі збереженим, щоб підтвердити вашу особу.

Цей метод підвищує безпеку, оскільки навіть якщо хакер отримує доступ до бази даних із цими хеш-дайджестами, розшифрувати вихідний пароль із хешу надзвичайно складно. Це пов’язано з конструкцією хеш-функції, яка робить обчислювально неможливим зворотний процес або пошук двох різних вхідних даних, які дають однаковий хеш-вихід (властивість, відома як стійкість до зіткнень).

Крім того, сучасні системи часто використовують «засолювання», техніку, за якої унікальне значення додається до пароля перед хешуванням. Це гарантує, що навіть однакові паролі призведуть до різних хешів, що ще більше ускладнить спроби хакерів використовувати попередньо обчислені таблиці (наприклад, веселкові таблиці) для злому паролів. Цей надійний механізм безпеки є невід’ємною частиною захисту даних користувачів на різних онлайн-платформах.

Ключові функції хешування

Хешування, фундаментальний аспект технології блокчейн, виконує кілька важливих функцій:

Підвищення безпеки : хеш-функції розроблені як односторонні операції, що робить надзвичайно складним повернення до початкового введення з хешу. Ця характеристика має вирішальне значення в блокчейні, оскільки зміна даних у блоці змінює його хеш. Отже, будь-яка модифікація стає очевидною, зберігаючи цілісність блокчейну. Цей односторонній характер хешування запобігає потенційному втручанню в дані, зберігаючи надійність блокчейну.

Полегшення перевірки даних : хеші є важливими для перевірки автентичності даних блокчейна. Порівнюючи хеш блоку з хешем, на який посилається наступний блок, можна підтвердити цілісність даних. У таких мережах, як Bitcoin, кожен блок містить хеш попереднього блоку, створюючи взаємозалежний ланцюжок. Будь-яка спроба змінити попередні дані порушує цей ланцюжок, роблячи наступні хеші недійсними та сповіщаючи мережу про можливе втручання.

Діючи як покажчики блоків : хеші також функціонують як покажчики в ланцюжку блоків. Зберігаючи хеш блоку в наступному блоці, встановлюється послідовний зв’язок. Цей метод зв’язування формує структуру блокчейну, де кожен блок пов’язаний між собою через свій унікальний хеш, забезпечуючи хронологічний і безперервний ланцюжок даних.

Підтримка механізмів консенсусу : у блокчейн-мережах, які використовують механізми консенсусу proof-of-work (PoW), як-от біткойн, хешування є ключовим. Майнери повинні вирішити складні головоломки, пов’язані з хешем, щоб перевірити та додати нові блоки до блокчейну. Складність цих головоломок регулюється, регулюючи швидкість створення нових блоків і підтримуючи стабільність мережі. Цей процес забезпечує децентралізований і демократичний метод перевірки транзакцій і підтримки блокчейна.

Загалом, хешування – це не просто функція безпеки; це багатогранний інструмент, який лежить в основі функціональності, цілісності та надійності мереж блокчейн. Забезпечуючи безпечне, перевірене та взаємозв’язане зберігання даних, хешування є незамінним для ефективної та надійної роботи систем блокчейн.

Як взагалі працює хешування?

Процес хешування є невід’ємною частиною безпеки та цілісності даних і складається з кількох ключових кроків:

Обробка вхідних даних за допомогою алгоритму хешування : хешування починається з вхідних даних, які можуть бути чим завгодно: від текстового рядка до файлу або серії транзакцій у межах блокчейну. Ці вхідні дані обробляються за допомогою алгоритму хешування, який застосовує різні математичні та логічні операції. Ці операції можуть включати математичні перетворення, порозрядні операції та логічні функції, що перетворюють вхідні дані на хеш.

Створення унікального хешу як цифрового відбитка : Результатом цього процесу є хеш, схожий на цифровий відбиток оригінального введення. Цей хеш, часто рядок із шістнадцяткових символів, має фіксовану довжину та змінюється залежно від вибраного алгоритму. Суть хешування полягає в його односторонній природі функції, що робить надзвичайно складним переробити оригінальні вхідні дані з хешування. Ця характеристика життєво важлива в таких сценаріях, як блокчейн, де зміна даних у блоці змінює його хеш, тим самим позначаючи потенційне маніпулювання даними.

Зберігання хешу як цифрового підпису : після створення хеш зберігається разом із даними в блоці, діючи як цифровий підпис, який перевіряє цілісність даних. Коли потрібне отримання даних, перерахунок хешу та зіставлення його зі збереженим хешем підтверджує відсутність підробки.

Крім цих кроків, алгоритми хешування відіграють ключову роль в інших програмах безпеки:

Системи автентифікації паролів: у таких системах пароль користувача хешується, а потім порівнюється зі збереженим хешем правильного пароля. Збіг надає доступ, гарантуючи, що навіть якщо базу даних паролів зламано, фактичні паролі залишаються прихованими через складність реверсування хешу.

По суті, хешування служить основним інструментом для забезпечення безпеки та цілісності даних у різних програмах, від транзакцій блокчейну до захисту паролем. Його односторонній характер і складність задіяних операцій роблять його надійним методом захисту цифрової інформації.

У хешуванні стійкість до зіткнень є ключовою характеристикою

У хешуванні колізія означає випадок, коли два різні вхідні дані генерують однаковий хеш-вихід. Теоретично це можливо, оскільки набір усіх можливих хеш-виходів скінченний, тоді як набір потенційних вхідних даних нескінченний. Однак на практиці ймовірність виникнення колізії надзвичайно низька, що робить алгоритми хешування стійкими, хоча й не повністю захищеними від таких випадків.

Взявши приклад SHA-256, який використовується в блокчейні біткойна, він створює хеші довжиною 256 біт. Це означає 2^256 можливих унікальних хеш-комбінацій, число настільки велике, що його важко зрозуміти. Щоб пояснити це в перспективі, 2^256 приблизно можна порівняти з кількістю атомів у спостережуваному Всесвіті.

Коли кількість вхідних даних перевищує загальну кількість можливих унікальних хешів, теоретично принаймні два вхідні дані дадуть однаковий хеш, що призведе до зіткнення. Але насправді астрономічне число унікальних комбінацій в SHA-256 робить практичну ймовірність зіткнення з такою колізією незначною.

Ця величезна кількість потенційних виходів захищає хешування від використання. Самий масштаб цих чисел забезпечує надзвичайно низьку ймовірність зіткнень, що сприяє безпеці та надійності хешування в технології блокчейн. Незважаючи на теоретичну можливість, практичні ризики таких випадків у добре розроблених алгоритмах хешування, таких як SHA-256, нескінченно малі, що підсилює їхню ефективність у захисті цифрових транзакцій і цілісності даних у системах блокчейн.

Функції хешування розроблені як необоротні

Змінити хеш-функцію, щоб визначити її початковий вхід, є надзвичайно складним завданням, яке межує з неможливим у сучасних технологіях. По суті, хеш-функції розроблені як односторонні процеси. Маючи вихідні дані, практично неможливо вивести початкові вхідні дані, які його створили.

Основний метод спроби такого перевороту відомий як груба сила, яка передбачає систематичне пробування кожного можливого рядка, доки не натрапить на правильний. Однак практичність такого підходу викликає великі сумніви. Обчислювальна потужність, необхідна для виконання такої операції, перевищує можливості навіть найдосконаліших суперкомп’ютерів.

Для прикладу розглянемо IBM Summit, один із найпотужніших у світі суперкомп’ютерів, здатний виконувати кілька трильйонів обчислень за секунду. Навіть з такою величезною обчислювальною потужністю Summit знадобиться надзвичайно багато часу, можливо, на роки, і приголомшливої кількості енергії, щоб успішно реконструювати один геш. Цей сценарій підкреслює непрактичність і майже неможливість реверсування хешів, особливо таких складних, як SHA-256, який використовується в технологіях блокчейн.

Ця властива складність підсилює аспект безпеки хешування в криптографічних програмах. Це гарантує, що конфіденційні дані після хешування залишаються в безпеці навіть від найскладніших спроб дешифрування, що робить хеш-функції наріжним каменем сучасних протоколів кібербезпеки та цілісності блокчейну.