Что такое хэш функция и где она используется

Что такое хеширование?

Как обычные, так и криптографические хэш-функции являются детерминированными. Быть детерминированным означает, что до тех пор, пока входные данные не изменяются, алгоритм хеширования всегда будет выдавать один и тот же результат (также известный как дайджест или хэш).

Алгоритмы хеширования в криптовалютах разработаны таким образом, что их функция работает в одностороннем порядке, это означает, что данные не могут быть возвращены в обратном порядке без вложения большого количества времени и ресурсов для осуществления вычислений. Другими словами, довольно легко создать выход из входных данных, но относительно трудно осуществить процесс в обратном направлении (сгенерировать вывод на основе входных данных). Чем сложнее найти входное значение, тем более безопасным считается алгоритм хеширования.

Как работает хэш-функция?

Различные виды хэш-функций производят вывод разной величины, но возможный размер данных на выходе для каждого из алгоритмов хеширования всегда является постоянным. Например, алгоритм SHA-256 может производить вывод исключительно в формате 256-бит, в то время как SHA-1 всегда генерирует 160-битный дайджест.

Чтобы проиллюстрировать это, давайте пропустим слова “Binance“ и “binance” через алгоритм хеширования SHA-256 (тот, который используется в биткоин).

Обратите внимание, что незначительное изменение (регистр первой буквы) привело к совершенно другому значению хэша. Поскольку мы используем SHA-256, данные на выходе всегда будут иметь фиксированный размер в 256 бит (или 64 символа), независимо от величины ввода. Помимо этого, не имеет значения какое количество раз мы пропустим эти два слова через алгоритм, два выхода не будут видоизменяться, поскольку они являются постоянными.

Таким же образом, если мы пропустим одни и те же входные данные с помощью алгоритма хеширования SHA-1, мы получим следующие результаты:

Стоит отметить, что акроним SHA расшифровывается как Secure Hash Algorithms (безопасный алгоритм хеширования). Он относится к набору криптографических хэш-функций, который включает такие алгоритмы как SHA-0 и SHA-1 вместе с группами SHA-2 и SHA-3. SHA-256 является частью группы SHA-2, наряду с SHA-512 и другими аналогами. В настоящее время, только группы SHA-2 и SHA-3 считаются безопасными.

Почему это имеет значение?

Хеширование демонстрирует весь свой потенциал при работе с огромным количеством информации. Например, можно пропустить большой файл или набор данных через хэш-функцию, а затем использовать вывод для быстрой проверки точности и целостности данных. Это возможно благодаря детерминированной природе хэш-функций: вход всегда будет приводить к упрощенному сжатому выходу (хэшу). Такой метод устраняет необходимость хранить и запоминать большие объемы данных.

Хеширование является в особенности полезным в отношении технологии блокчейн. В блокчейне биткоина осуществляется несколько операций, которые включают себя хеширование, большая часть которого заключается в майнинге. По факту, практически все криптовалютные протоколы полагаются на хеширование для связывания и сжатия групп транзакций в блоки, а также для создания криптографической взаимосвязи и эффективного построения цепочки из блоков.

Криптографические хэш-функции

Опять же обращаем ваше внимание на то, что хэш-функция, которая использует криптографические методы, может быть определена как криптографическая хэш-функция. Для того, чтобы ее взломать потребуется бесчисленное множество попыток грубого подбора чисел. Чтобы реверсировать криптографическую хэш-функцию, потребуется подбирать входные данные методом проб и ошибок, пока не будет получен соответствующий вывод. Тем не менее, существует возможность того, что разные входы будут производить одинаковый вывод, в таком случае возникает коллизия.

С технической точки зрения, криптографическая хэш-функция должна соответствовать трем свойствам, чтобы считаться безопасной. Мы можем описать их как: устойчивость к коллизии, и устойчивость к поиску первого и второго прообраза.

Прежде чем начать разбирать каждое свойство, обобщим их логику в трех коротких предложениях.

Устойчивость к коллизии: невозможно найти два разных входа, которые производят хэш, аналогичный выводу.

Устойчивость к поиску первого прообраза: отсутствие способа или алгоритма обратного восстановления хэш-функцию (нахождение входа по заданному выходу).

Устойчивость к поиску второго прообраза: невозможно найти любой второй вход, который бы пересекался с первым.

Устойчивость к коллизии

Как упоминалось ранее, коллизия происходит, когда разные входные данные производят одинаковый хэш. Таким образом, хэш-функция считается устойчивой к коллизиям до тех пор, пока кто-либо не обнаружит коллизию. Обратите внимание, что коллизии всегда будут существовать для любой из хэш-функций, в связи с бесконечным количеством входных данных и ограниченным количеством выводов.

Таким образом, хэш-функция устойчива к коллизии, когда вероятность ее обнаружения настолько мала, что для этого потребуются миллионы лет вычислений. По этой причине, несмотря на то, что не существует хэш-функций без коллизий, некоторые из них на столько сильные, что могут считаться устойчивыми (например, SHA-256).

Устойчивость к поиску первого прообраза

Данное свойство тесно взаимосвязано с концепцией односторонних функций. Хэш-функция считается устойчивой к поиску первого прообраза, до тех пор, пока существует очень низкая вероятность того, что кто-то сможет найти вход, с помощью которого можно будет сгенерировать определенный вывод.

Обратите внимание, что это свойство отличается от предыдущего, поскольку злоумышленнику потребуется угадывать входные данные, опираясь на определенный вывод. Такой вид коллизии происходит, когда кто-то находит два разных входа, которые производят один и тот же код на выходе, не придавая значения входным данным, которые для этого использовались.

Свойство устойчивости к поиску первого прообраза является ценным для защиты данных, поскольку простой хэш сообщения может доказать его подлинность без необходимости разглашения дополнительной информации. На практике многие поставщики услуг и веб-приложения хранят и используют хэши, сгенерированные из паролей вместо того, чтобы пользоваться ими в текстовом формате.

Устойчивость к поиску второго прообраза

Для упрощения вашего понимания, можно сказать, что данный вид устойчивости находится где-то между двумя другими свойствами. Атака нахождения второго прообраза заключается в нахождении определенного входа, с помощью которого можно сгенерировать вывод, который изначально образовывался посредством других входных данных, которые были заведомо известны.

Другими словами, атака нахождения второго прообраза включает в себя обнаружение коллизии, но вместо поиска двух случайных входов, которые генерируют один и тот же хэш, атака нацелена на поиск входных данных, с помощью которых можно воссоздать хэш, который изначально был сгенерирован с помощью другого входа.

Следовательно, любая хэш-функция, устойчивая к коллизиям, также устойчива и к подобным атакам, поскольку последняя всегда подразумевает коллизию. Тем не менее, все еще остается возможность для осуществления атаки нахождения первого прообраза на функцию устойчивую к коллизиям, поскольку это предполагает поиск одних входных данных посредством одного вывода.

Майнинг

В этом случае, хешрейт представляет собой количество мощности вашего компьютера, которое вы инвестируете в майнинг биткоинов. Если хешрейт начинает увеличиваться, протокол биткоина автоматически отрегулирует сложность майнинга так, чтобы среднее время необходимое для добычи блока составляло не более 10 минут. Если несколько майнеров примут решение прекратить майнинг, что приведет к значительному снижению хешрейта, сложность добычи будет скорректирована таким образом, чтобы временно облегчить вычислительную работу (до тех пор, пока среднее время формирования блока не вернется к 10 минутам).

Обратите внимание, что майнерам не нужно искать коллизии, в связи с некоторым количеством хэшей, которые они могут генерировать в качестве валидного выхода (начинающегося с определенного количества нулей). Таким образом, существует несколько возможных решений для определенного блока и майнеры должны найти только одно из них, в соответствии с порогом, который определяется сложностью майнинга.

Поскольку майнинг биткоина является столь затратной задачей, у майнеров нет причин обманывать систему, так как это приведет к значительным финансовым убыткам. Соответственно, чем больше майнеров присоединяется к блокчейну, тем больше и сильнее он становится.

Заключение

Нет сомнений в том, что хэш-функции являются одним из основных инструментов информатики, особенно при работе с огромными объемами данных. В сочетании с криптографией, алгоритмы хеширования могут быть весьма универсальными, предлагая безопасность и множество способов аутентификации. Таким образом, криптографические хеш-функции жизненно важны практически для всех криптовалютных сетей, поэтому понимание их свойств и механизмов работы, безусловно полезно для всех, кто интересуется технологией блокчейн.

Источник

Что такое хэш и хэш-функция: практическое применение, обзор популярных алгоритмов

Цифровые технологии широко применяют хеширование, несмотря на то, что изобретению более 50 лет: аутентификация, осуществление проверки целостности информации, защита файлов, включая, в некоторых случаях, определение вредоносного программного обеспечения и многие другие функции. Например, множество задач в области информационных технологий требовательны к объему поступающих данных. Согласитесь, проще и быстрее сравнить 2 файла весом 1 Кб, чем такое же количество документов, но, к примеру, по 10 Гб каждый. Именно по этой причине алгоритмы, способные оперировать лаконичными значениями, весьма востребованы в современном мире цифровых технологий. Хеширование – как раз решает эту проблему. Разберемся подробно, что такое хэш и хэш-функция.

Что за «зверь» такой это хеширование?

Чтобы в головах читателей не образовался «винегрет», начнем со значения терминологий применительно к цифровым технологиям:

Исходя из пояснений, делаем вывод: хеширование – процесс сжатия входящего потока информации любого объема (хоть все труды Уильяма Шекспира) до короткой «аннотации» в виде набора случайных символов и цифр фиксированной длины.

Коллизии

Коллизии хэш-функций подразумевает появление общего хэш-кода на два различных массива информации. Неприятная ситуация возникает по причине сравнительно небольшого количества символов в хэш. Другими совами, чем меньше знаков использует конечная формула, тем больше вероятность итерации (повтора) одного и того же хэш-кода на разные наборы данных. Чтобы снизить риск появления коллизии, применяют двойное хеширование строк, образующее открытый и закрытый ключ – то есть, используется 2 протокола, как, например, в Bitcoin. Специалисты, вообще, рекомендуют обойтись без хеширования при осуществлении каких-либо ответственных проектов, если, конечно же, это возможно. Если без криптографической хэш-функции не обойтись, протокол обязательно нужно протестировать на совместимость с ключами.

Важно! Коллизии будут существовать всегда. Алгоритм хеширования, перерабатывающий различный по объему поток информации в фиксированный по количеству символов хэш-код, в любом случае будет выдавать дубли, так как множеству наборов данных противостоит одна и та же строчка заданной длины. Риск повторений можно только снизить.

Технические параметры

Основополагающие характеристики протоколов хеширования выглядят следующим образом:

Здесь стоит так же отметить важные свойства алгоритмов: способность «свертывать» любой массив данных, производить хэш конкретной длины, распределять равномерно на выходе значения функции. Необходимо заметить, любые изменения во входящем сообщении (другая буква, цифра, знак препинания, даже лишний пробел) внесут коррективы в итоговый хэш-код. Он просто будет другим – такой же длины, но с иными символами.

Требования

К эффективной во всех отношениях хэш-функции выдвигаются следующие требования:

Данные требования выполнимы исключительно тогда, когда протокол базируется на сложных математических уравнениях.

Практическое применение

Процедура хеширования относительно своего функционала может быть нескольких типов:

Разберемся детальней в сфере применения протоколов хеширования.

Скачивание файлов из Всемирной Паутины

Этим занимается фактически каждый активный пользователь Всемогущей Сети, сталкиваясь с хэш-функциями сам того не осознавая, так как мало кто обращает внимание при скачивании того или иного файла на череду непонятных цифр и латинских букв. Однако именно они и есть хэш или контрольные суммы – перед вереницей символов стоит название используемой категории протокола хеширования. В общем-то, для обывателей абсолютно ненужная «инфа», а продвинутый юзер может выяснить, скачал ли он точную копию файла или произошла ошибка. Для этой процедуры необходимо установить на собственный ПК специальную утилиту (программу), которая способна вычислить хэш по представленному протоколу.

Важно! Установив на ПК пакет утилит, прогоняем через него файлы. Затем сравниваем полученный результат. Совпадение символов говорит о правильной копии – соответствующей оригиналу. Обнаруженные различия подразумевают повторное скачивание файла.

Алгоритм и электронно-цифровая подпись (ЭЦП)

Цифровая резолюция (подпись) – кодирование документа с использованием ключей закрытого и открытого типа. Другими словами, первоначальный документ сопровождается сообщением, закодированным закрытым ключом. Проверка подлинности электронной подписи осуществляется с применением открытого ключа. При обстоятельствах, когда в ходе сравнения хэш двух информационных наборов идентичен, документ, который получил адресат, признается оригинальным, а подпись истинной. В сухом остатке получаем высокую скорость обработки потока наборов данных, эффективную защиту виртуального факсимиле, так как подпись обеспечивается криптографической стойкостью. В качестве бонуса – хэш подразумевает использование ЭЦП под разнообразными типами информации, а не только текстовыми файлами.

Ревизия паролей

Очередная область применения хэш-функции, с которой сталкивается практически каждый пользователь. Подавляющее большинство серверов хранит пользовательские пароли в значении хэш. Что вполне обоснованно, так как, сберегая пароли пользователей в обычной текстовой форме, можно забыть о безопасности конфиденциальных, секретных данных. Столкнувшись с хэш-кодом, хакер даже время терять не будет, потому что, обратить вспять произвольный набор символов практически невозможно. Конечно же, если это не пароль в виде «12345» или что-то на подобии него. Доступ осуществляется путем сравнения хэш-кода вводимого юзером с тем, который хранится на сервере ресурса. Ревизию кодов может осуществлять простейшая хэш-функция.

Важно! В реальности программисты применяют многоярусный комплексный криптографический протокол с добавлением, в большинстве случаев, дополнительной меры безопасности – защищенного канала связи, чтобы виртуальные мошенники не перехватили пользовательский код до того, как он пройдет проверку на сервере.

Как появилось понятие хэш?

Сделаем небольшую паузу, чтобы интеллект окончательно не поплыл от потока сложных для простых пользователей терминов и информации. Расскажем об истории появления термина «хэш». А для простоты понимания выложим «инфу» в табличной форме.

Интересно! Еще в 1956 году советский программист Андрей Ершов называл процесс хеширования расстановкой, а коллизии хэш-функций – конфликтом. К сожалению, ни один из этих терминов не прижился.

Стандарты хеширования: популярные варианты

Итак, от экскурса в историю перейдем вновь к серьезной теме. Опять-таки, ради простоты восприятия предлагаем краткое описание популярных стандартов хеширования в табличном виде. Так проще оценить информацию и провести сравнение.

На этом, пожалуй, закончим экскурсию в мир сложных, но весьма полезных и востребованных протоколов хеширования.

Источник

Что такое Хэш?

В рамках данной статьи, я расскажу вам что такое Хэш, зачем он нужен, где и как применяется, а так же наиболее известные примеры.

Многие задачи в области информационных технологий весьма критичны к объемам данных. Например, если нужно сравнить между собой два файла размером по 1 Кб и два файла по 10 Гб, то это совершенно разное время. Поэтому алгоритмы, позволяющие оперировать более короткими и емкими значениями, считаются весьма востребованными.

Одной из таких технологий является Хэширование, которое нашло свое применение при решении массы задач. Но, думаю вам, как обычному пользователю, все еще непонятно, что же это за зверь такой и для чего он нужен. Поэтому далее я постараюсь объяснить все наиболее простыми словами.

Примечание: Материал рассчитан на обычных пользователей и не содержит многих технических аспектов, однако для базового ознакомления его более, чем достаточно.

Что такое Хэш или Хэширование?

Как видите, у терминов несколько образное описание, из которого сложно понять для чего это все нужно. Поэтому сразу приведу небольшой пример (об остальных применениях расскажу чуть позже). Допустим, у вас есть 2 файла размером 10 Гб. Как можно быстро узнать какой из них нужный? Можно использовать имя файла, но его легко переименовать. Можно смотреть даты, но после копирования файлов даты могут быть одинаковыми или в иной последовательности. Размер, как сами понимаете, мало чем может помочь (особенно, если размеры совпадают или вы не смотрели точные значения байтов).

Вот тут-то и нужен этот самый Хэш, который представляет собой короткий блок, формирующийся из исходного текста файла. У этих двух файлов по 10 Гб будет два разных, но коротких Хэш-кода (что-то вроде «ACCAC43535» и «BBB3232A42»). Используя их, можно будет быстро узнать нужный файл, даже после копирования и смены имен.

Примечание: В связи с тем, что Хэш в компьютером мире и в интернете весьма известное понятие, то нередко все то, что имеет отношение к Хэшу, сокращают до этого самого слова. Например, фраза «у меня используется Хэш MD5» в переводе означает, что на сайте или где-то еще используется алгоритм хэширования стандарта MD5.

Свойства Хеш-функций

Теперь, расскажу о свойствах Хэш-функций, чтобы вам было легче понять где применяется и для чего нужно Хэширование. Но, сначала еще одно определение.

А теперь к самим свойствам Хэш-функций:

1. На вход может подаваться текст любого размера, а на выходе получается блок данных фиксированной длины. Это следует из определения.

3. Хорошая функция свертки должна иметь хорошее распределение. Согласитесь, что если размер выходного Хэша, к примеру, 16 байт, то если функция возвращает всего 3 разных значения для любых текстов, то толку от такой функции и этих 16 байт никакого (16 байт это 2^128 вариантов, что примерно равно 3,4 * 10^38 степени).

4. Как хорошо функция реагирует на малейшие изменения в исходном тексте. Простой пример. Поменяли 1 букву в файле размером 10 Гб, значение функции должно стать другим. Если же это не так, то применять такую функцию весьма проблематично.

5. Вероятность возникновения коллизии. Весьма сложный параметр, рассчитываемый при определенных условиях. Но, суть его в том, что какой смысл от Хэш-функции, если полученная Хэш-сумма будет часто совпадать.

6. Скорость вычисления Хэша. Какой толк от функции свертки, если она будет долго вычисляться? Никакой, ведь тогда проще данные файлов сравнивать или использовать иной подход.

7. Сложность восстановления исходных данных из значения Хэша. Эта характеристика больше специфическая, нежели общая, так как не везде требуется подобное. Однако, для наиболее известных алгоритмов эта характеристика оценивается. Например, исходный файл вы вряд ли сможете получить из этой функции. Однако, если имеет место проблема коллизий (к примеру, нужно найти любой текст, который соответствует такому Хэшу), то такая характеристика может быть важной. Например, пароли, но о них чуть позже.

8. Открыт или закрыт исходный код такой функции. Если код не является открытым, то сложность восстановления данных, а именно криптостойкость, остается под вопросом. Отчасти, это проблема как с шифрованием.

Вот теперь можно переходить к вопросу «а для чего это все?».

Зачем нужен Хэш?

Основные цели у Хэш-функций всего три (вернее их предназначения).

1. Проверка целостности данных. В данном случае все просто, такая функция должна вычисляться быстро и позволять так же быстро проверить, что, к примеру, скачанный из интернета файл не был поврежден во время передачи.

2. Рост скорости поиска данных. Фиксированный размер блока позволяет получить немало преимуществ в решении задач поиска. В данном случае, речь идет о том, что, чисто технически, использование Хэш-функций может положительно сказываться на производительности. Для таких функций весьма важное значение представляют вероятность возникновения коллизий и хорошее распределение.

3. Для криптографических нужд. Данный вид функций свертки применяется в тех областях безопасности, где важно чтобы результаты сложно было подменить или где необходимо максимально усложнить задачу получения полезной информации из Хэша.

Где и как применяется Хэш?

Как вы, вероятно, уже догадались Хэш применяется при решении очень многих задач. Вот несколько из них:

1. Пароли обычно хранятся не в открытом виде, а в виде Хэш-сумм, что позволяет обеспечить более высокую степень безопасности. Ведь даже если злоумышленник получит доступ к такой БД, ему еще придется немало времени потратить, чтобы подобрать к этим Хэш-кодам соответствующие тексты. Вот тут и важна характеристика «сложность восстановления исходных данных из значений Хэша».

2. В программировании, включая базы данных. Конечно же, чаще всего речь идет о структурах данных, позволяющих осуществлять быстрый поиск. Чисто технический аспект.

3. При передачи данных по сети (включая Интернет). Многие протоколы, такие как TCP/IP, включают в себя специальные проверочные поля, содержащие Хэш-сумму исходного сообщения, чтобы если где-то произошел сбой, то это не повлияло на передачу данных.

4. Для различных алгоритмов, связанных с безопасностью. Например, Хэш применяется в электронных цифровых подписях.

5. Для проверки целостности файлов. Если обращали внимание, то нередко в интернете можно встретить у файлов (к примеру, архивы) дополнительные описания с Хэш-кодом. Эта мера применяется не только для того, чтобы вы случайно не запустили файл, который повредился при скачивании из Интернета, но и бывают просто сбои на хостингах. В таких случаях, можно быстро проверить Хэш и если требуется, то перезалить файл.

6. Иногда, Хэш-функции применяются для создания уникальных идентификаторов (как часть). Например, при сохранении картинок или просто файлов, обычно используют Хэш в именах совместно с датой и временем. Это позволяет не перезаписывать файлы с одинаковыми именами.

На самом деле, чем дальше, тем чаще Хэш-функции применяются в информационных технологиях. В основном из-за того, что объемы данных и мощности самых простых компьютеров сильно возрасли. В первом случае, речь больше о поиске, а во втором речь больше о вопросах безопасности.

Известные Хэш-функции

Самыми известными считаются следующие три Хэш-функции:

Примечание: Данная функция свертки состоит всего из одной операции XOR, которая последовательно выполняется ко всем входным блокам исходного текста. Поэтому ее обычно применяют только для проверки целостности данных.

На самом деле, в РФ существует и применяется собственный криптостойкий алгоритм ГОСТ Р 34.11-2012 (ранее использовался ГОСТ Р 34.11-94), однако распространенность его в интернете очень мала (в плане известности).

Теперь, вы знаете что такое Хэш, для чего он применяется и ряд других аспектов.

Источник