Хеш для чего нужен

Хэш и хеширование — что это такое простыми словами?

Здравствуйте, уважаемые читатели проекта Тюлягин! В сегодняшней статье про криптовалюты мы поговорим о хэше и хешировании. В статье вы узнаете что такое хэш и хэш-функция, узнаете как устроены хэши в целом и как работает хеширование в криптовалютах. Кроме этого приведены примеры хэша и даны ответы на наиболее популярные ответы о хэше и хешировании. Обо всем этом далее в статье.

Содержание статьи:

Что такое хэш?

Хэш — это математическая функция, которая преобразует ввод произвольной длины в зашифрованный вывод фиксированной длины. Таким образом, независимо от исходного количества данных или размера файла, его уникальный хэш всегда будет одного и того же размера. Более того, хэши нельзя использовать для «обратного проектирования» входных данных из хешированных выходных данных, поскольку хэш-функции являются «односторонними» (как в мясорубке: вы не можете вернуть говяжий фарш обратно в стейк). Тем не менее, если вы используете такую ​​функцию для одних и тех же данных, ее хэш будет идентичным, поэтому вы можете проверить, что данные такие же (т. е. без изменений), если вы уже знаете его хэш.

Хеширование также важно для управления блокчейном в криптовалюте.

Как работают хэш-функции

Типичные хэш-функции принимают входные данные переменной длины для возврата выходных данных фиксированной длины. Криптографическая хэш-функция сочетает в себе возможности хэш-функций по передаче сообщений со свойствами безопасности.

Хэш-функции — это обычно используемые структуры данных в вычислительных системах для таких задач, как проверка целостности сообщений и аутентификация информации. Хотя они считаются криптографически «слабыми», поскольку могут быть решены за полиномиальное время, их нелегко расшифровать.

Криптографические хэш-функции добавляют функции безопасности к типичным хэш-функциям, что затрудняет обнаружение содержимого сообщения или информации о получателях и отправителях.

В частности, криптографические хэш-функции обладают этими тремя свойствами:

Благодаря особенностям хэша они широко используются в онлайн-безопасности — от защиты паролей до обнаружения утечек данных и проверки целостности загруженного файла.

Хеширование и криптовалюты

Основой криптовалюты является блокчейн, который представляет собой глобальный распределенный реестр, образованный путем связывания отдельных блоков данных транзакции. Блокчейн содержит только подтвержденные транзакции, что предотвращает мошеннические транзакции и двойное расходование валюты. Полученное зашифрованное значение представляет собой серию цифр и букв, не похожих на исходные данные, и называется хэшем. Майнинг криптовалюты предполагает работу с этим хэшем.

Хеширование требует обработки данных из блока с помощью математической функции, что приводит к выходу фиксированной длины. Использование вывода фиксированной длины повышает безопасность, поскольку любой, кто пытается расшифровать хэш, не сможет определить, насколько длинным или коротким является ввод, просто посмотрев на длину вывода.

Решение хэша начинается с данных, имеющихся в заголовке блока, и, по сути, решает сложную математическую задачу. Заголовок каждого блока содержит номер версии, метку времени, хэш, использованный в предыдущем блоке, хэш корня Меркла, одноразовый номер (nonce) и целевой хэш.

Майнер сосредотачивается на nonce, строке чисел. Этот номер добавляется к хешированному содержимому предыдущего блока, которое затем хешируется. Если этот новый хэш меньше или равен целевому хэшу, то он принимается в качестве решения, майнеру дается вознаграждение, и блок добавляется в цепочку блоков.

Процесс проверки транзакций блокчейна основан на шифровании данных с использованием алгоритмического хеширования.

Особенности хэша

Решение хэша требует, чтобы майнер определил, какую строку использовать в качестве одноразового номера, что само по себе требует значительного количества проб и ошибок. Это потому, что одноразовый номер — это случайная строка. Маловероятно, что майнер успешно найдет правильный одноразовый номер с первой попытки, а это означает, что майнер потенциально может протестировать большое количество вариантов одноразового номера, прежде чем сделать его правильным. Чем выше сложность — мера того, насколько сложно создать хэш, который удовлетворяет требованиям целевого хэша — тем больше времени, вероятно, потребуется для генерации решения.

Пример хэша и хеширования

Хеширование слова «привет» даст результат той же длины, что и хэш для «Я иду в магазин». Функция, используемая для генерации хэша, является детерминированной, что означает, что она будет давать один и тот же результат каждый раз, когда используется один и тот же ввод. Он может эффективно генерировать хешированный ввод, это также затрудняет определение ввода (что приводит к майнингу), а также вносит небольшие изменения в результат ввода в неузнаваемый, совершенно другой хэш.

Обработка хэш-функций, необходимых для шифрования новых блоков, требует значительной вычислительной мощности компьютера, что может быть дорогостоящим. Чтобы побудить людей и компании, называемые майнерами, инвестировать в необходимую технологию, сети криптовалюты вознаграждают их как новыми токенами криптовалюты, так и комиссией за транзакцию. Майнеры получают вознаграждение только в том случае, если они первыми создают хэш, который соответствует требованиям, изложенным в целевом хэш-коде.

Популярные вопросы о хэше

Что такое хэш и хэш-функция?

Хэш-функции — это математические функции, которые преобразуют или «отображают» заданный набор данных в битовую строку фиксированного размера, также известную как «хэш» (хэш кодом, хэш суммой, значением хэша и т.д.).

Как рассчитывается хэш?

Хэш-функция использует сложные математические алгоритмы, которые преобразуют данные произвольной длины в данные фиксированной длины (например, 256 символов). Если вы измените один бит в любом месте исходных данных, изменится все значение хэш-функции, что сделает его полезным для проверки точности цифровых файлов и других данных.

Для чего используются хэши в блокчейнах?

Хэши используются в нескольких частях блокчейн-системы. Во-первых, каждый блок содержит хэш заголовка блока предыдущего блока, гарантируя, что ничего не было изменено при добавлении новых блоков. Майнинг криптовалюты с использованием доказательства выполнения работы (PoW), кроме того, использует хеширование случайно сгенерированных чисел для достижения определенного хешированного значения, содержащего серию нулей в начале. Эта произвольная функция требует больших ресурсов, что затрудняет перехват сети злоумышленником.

Резюме

А на этом сегодня все про хэш и хеширование. Надеюсь статья оказалась для вас полезной. Делитесь статьей в социальных сетях и мессенджерах и добавляйте сайт в закладки. Успехов и до новых встреч на страницах проекта Тюлягин!

Источник

Хеш-функция, что это такое?

Приветствую уважаемого читателя!

Сегодня я хотел бы рассказать о том, что из себя представляет хеш-функция, коснуться её основных свойств, привести примеры использования и в общих чертах разобрать современный алгоритм хеширования SHA-3, который был опубликован в качестве Федерального Стандарта Обработки Информации США в 2015 году.

Общие сведения

Результат, производимый хеш-функцией, называется «хеш-суммой» или же просто «хешем», а входные данные часто называют «сообщением».

Для идеальной хеш-функции выполняются следующие условия:

а) хеш-функция является детерминированной, то есть одно и то же сообщение приводит к одному и тому же хеш-значению
b) значение хеш-функции быстро вычисляется для любого сообщения
c) невозможно найти сообщение, которое дает заданное хеш-значение
d) невозможно найти два разных сообщения с одинаковым хеш-значением
e) небольшое изменение в сообщении изменяет хеш настолько сильно, что новое и старое значения кажутся некоррелирующими

Давайте сразу рассмотрим пример воздействия хеш-функции SHA3-256.

Число 256 в названии алгоритма означает, что на выходе мы получим строку фиксированной длины 256 бит независимо от того, какие данные поступят на вход.

На рисунке ниже видно, что на выходе функции мы имеем 64 цифры шестнадцатеричной системы счисления. Переводя это в двоичную систему, получаем желанные 256 бит.

Любой заинтересованный читатель задаст себе вопрос: «А что будет, если на вход подать данные, бинарный код которых во много раз превосходит 256 бит?»

Надеюсь, теперь нет сомнений в том, что это очень внушительное число!

Поэтому ничего не мешает нам сопоставлять длинному входному массиву данных массив фиксированной длины.

Свойства

Криптографическая хеш-функция должна уметь противостоять всем известным типам криптоаналитических атак.
В теоретической криптографии уровень безопасности хеш-функции определяется с использованием следующих свойств:

Pre-image resistance

Имея заданное значение h, должно быть сложно найти любое сообщение m такое, что

Second pre-image resistance

Имея заданное входное значение , должно быть сложно найти другое входное значение такое, что

Collision resistance

Должно быть сложно найти два различных сообщения и таких, что

Такая пара сообщений и называется коллизией хеш-функции

Давайте чуть более подробно поговорим о каждом из перечисленных свойств.

Collision resistance. Как уже упоминалось ранее, коллизия происходит, когда разные входные данные производят одинаковый хеш. Таким образом, хеш-функция считается устойчивой к коллизиям до того момента, пока не будет обнаружена пара сообщений, дающая одинаковый выход. Стоит отметить, что коллизии всегда будут существовать для любой хеш-функции по той причине, что возможные входы бесконечны, а количество выходов конечно. Хеш-функция считается устойчивой к коллизиям, когда вероятность обнаружения коллизии настолько мала, что для этого потребуются миллионы лет вычислений.

Несмотря на то, что хеш-функций без коллизий не существует, некоторые из них достаточно надежны и считаются устойчивыми к коллизиям.

Pre-image resistance. Это свойство называют сопротивлением прообразу. Хеш-функция считается защищенной от нахождения прообраза, если существует очень низкая вероятность того, что злоумышленник найдет сообщение, которое сгенерировало заданный хеш. Это свойство является важным для защиты данных, поскольку хеш сообщения может доказать его подлинность без необходимости раскрытия информации. Далее будет приведён простой пример и вы поймете смысл предыдущего предложения.

Second pre-image resistance. Это свойство называют сопротивлением второму прообразу. Для упрощения можно сказать, что это свойство находится где-то посередине между двумя предыдущими. Атака по нахождению второго прообраза происходит, когда злоумышленник находит определенный вход, который генерирует тот же хеш, что и другой вход, который ему уже известен. Другими словами, злоумышленник, зная, что пытается найти такое, что

Отсюда становится ясно, что атака по нахождению второго прообраза включает в себя поиск коллизии. Поэтому любая хеш-функция, устойчивая к коллизиям, также устойчива к атакам по поиску второго прообраза.

Неформально все эти свойства означают, что злоумышленник не сможет заменить или изменить входные данные, не меняя их хеша.

Таким образом, если два сообщения имеют одинаковый хеш, то можно быть уверенным, что они одинаковые.

В частности, хеш-функция должна вести себя как можно более похоже на случайную функцию, оставаясь при этом детерминированной и эффективно вычислимой.

Применение хеш-функций

Рассмотрим несколько достаточно простых примеров применения хеш-функций:

• Проверка целостности сообщений и файлов
Сравнивая хеш-значения сообщений, вычисленные до и после передачи, можно определить, были ли внесены какие-либо изменения в сообщение или файл.

• Верификация пароля
Проверка пароля обычно использует криптографические хеши. Хранение всех паролей пользователей в виде открытого текста может привести к массовому нарушению безопасности, если файл паролей будет скомпрометирован. Одним из способов уменьшения этой опасности является хранение в базе данных не самих паролей, а их хешей. При выполнении хеширования исходные пароли не могут быть восстановлены из сохраненных хеш-значений, поэтому если вы забыли свой пароль вам предложат сбросить его и придумать новый.

• Цифровая подпись
Подписываемые документы имеют различный объем, поэтому зачастую в схемах ЭП подпись ставится не на сам документ, а на его хеш. Вычисление хеша позволяет выявить малейшие изменения в документе при проверке подписи. Хеширование не входит в состав алгоритма ЭП, поэтому в схеме может быть применена любая надежная хеш-функция.

Предлагаю также рассмотреть следующий бытовой пример:

Алиса ставит перед Бобом сложную математическую задачу и утверждает, что она ее решила. Боб хотел бы попробовать решить задачу сам, но все же хотел бы быть уверенным, что Алиса не блефует. Поэтому Алиса записывает свое решение, вычисляет его хеш и сообщает Бобу (сохраняя решение в секрете). Затем, когда Боб сам придумает решение, Алиса может доказать, что она получила решение раньше Боба. Для этого ей нужно попросить Боба хешировать его решение и проверить, соответствует ли оно хеш-значению, которое она предоставила ему раньше.

Теперь давайте поговорим о SHA-3.

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) в течение 2007—2012 провёл конкурс на новую криптографическую хеш-функцию, предназначенную для замены SHA-1 и SHA-2.

Организаторами были опубликованы некоторые критерии, на которых основывался выбор финалистов:

Способность противостоять атакам злоумышленников

• Производительность и стоимость

Вычислительная эффективность алгоритма и требования к оперативной памяти для программных реализаций, а также количество элементов для аппаратных реализаций

• Гибкость и простота дизайна

Гибкость в эффективной работе на самых разных платформах, гибкость в использовании параллелизма или расширений ISA для достижения более высокой производительности

В финальный тур попали всего 5 алгоритмов:

Победителем и новым SHA-3 стал алгоритм Keccak.

Давайте рассмотрим Keccak более подробно.

Keccak

Хеш-функции семейства Keccak построены на основе конструкции криптографической губки, в которой данные сначала «впитываются» в губку, а затем результат Z «отжимается» из губки.

Любая губчатая функция Keccak использует одну из семи перестановок которая обозначается , где

перестановки представляют собой итерационные конструкции, состоящие из последовательности почти одинаковых раундов. Число раундов зависит от ширины перестановки и задаётся как где

В качестве стандарта SHA-3 была выбрана перестановка Keccak-f[1600], для неё количество раундов

Далее будем рассматривать

Давайте сразу введем понятие строки состояния, которая играет важную роль в алгоритме.

Строка состояния представляет собой строку длины 1600 бит, которая делится на и части, которые называются скоростью и ёмкостью состояния соотвественно.

Соотношение деления зависит от конкретного алгоритма семейства, например, для SHA3-256

В SHA-3 строка состояния S представлена в виде массива слов длины бит, всего бит. В Keccak также могут использоваться слова длины , равные меньшим степеням 2.

Алгоритм получения хеш-функции можно разделить на несколько этапов:

• С помощью функции дополнения исходное сообщение M дополняется до строки P длины кратной r

• Строка P делится на n блоков длины

• «Впитывание»: каждый блок дополняется нулями до строки длиной бит (b = r+c) и суммируется по модулю 2 со строкой состояния , далее результат суммирования подаётся в функцию перестановки и получается новая строка состояния , которая опять суммируется по модулю 2 с блоком и дальше опять подаётся в функцию перестановки . Перед началом работы криптографической губки все элементыравны 0.

• «Отжимание»: пока длина результата меньше чем , где — количество бит в выходном массиве хеш-функции, первых бит строки состояния добавляется к результату . После каждой такой операции к строке состояния применяется функция перестановок и данные продолжают «отжиматься» дальше, пока не будет достигнуто значение длины выходных данных .

Все сразу станет понятно, когда вы посмотрите на картинку ниже:

Функция дополнения

Первый единичный бит в функции дополнения нужен, чтобы результаты хеш-функции от сообщений, отличающихся несколькими нулевыми битами в конце, были различны.

Функция перестановок

Базовая функция перестановки состоит из раундов по пять шагов:

Шаг

Шаг

Шаг

Шаг

Шаг

Тета, Ро, Пи, Хи, Йота

Далее будем использовать следующие обозначения:

Так как состояние имеет форму массива , то мы можем обозначить каждый бит состояния как

Обозначим результат преобразования состояния функцией перестановки

Также обозначим функцию, которая выполняет следующее соответствие:

— обычная функция трансляции, которая сопоставляет биту бит ,

где — длина слова (64 бит в нашем случае)

Я хочу вкратце описать каждый шаг функции перестановок, не вдаваясь в математические свойства каждого.

Шаг

Эффект отображения можно описать следующим образом: оно добавляет к каждому биту побитовую сумму двух столбцов и

Схематическое представление функции:

Шаг

Отображение направлено на трансляции внутри слов (вдоль оси z).

Проще всего его описать псевдокодом и схематическим рисунком:

Шаг

Шаг представляется псевдокодом и схематическим рисунком:

Шаг

Шаг является единственный нелинейным преобразованием в

Псевдокод и схематическое представление:

Шаг

Отображение состоит из сложения с раундовыми константами и направлено на нарушение симметрии. Без него все раунды были бы эквивалентными, что делало бы его подверженным атакам, использующим симметрию. По мере увеличения раундовые константы добавляют все больше и больше асимметрии.

Ниже приведена таблица раундовых констант для бит

Все шаги можно объединить вместе и тогда мы получим следующее:

Где константы являются циклическими сдвигами и задаются таблицей:

Итоги

В данной статье я постарался объяснить, что такое хеш-функция и зачем она нужна
Также в общих чертах мной был разобран принцип работы алгоритма SHA-3 Keccak, который является последним стандартизированным алгоритмом семейства Secure Hash Algorithm

Надеюсь, все было понятно и интересно

Всем спасибо за внимание!

Источник