ما هو الهاش؟ المبادئ، التشفير والتطبيقات في البلوكشين

التجزئة تشير إلى عملية توليد مخرجات بحجم ثابت انطلاقًا من مدخلات بحجم متغير. تتم هذه العملية من خلال صيغ رياضية تعرف باسم دوال التجزئة ( المنفذة كخوارزميات تجزئة ).

على الرغم من أن جميع وظائف التجزئة لا تتضمن استخدام التشفير، فإن ما يسمى بوظائف التجزئة التشفيرية تشكل جوهر العملات المشفرة. بفضلها، يمكن أن تصل شبكات البلوكشين والأنظمة الموزعة الأخرى إلى مستويات كبيرة من نزاهة وأمان البيانات.

أساسيات وظائف التجزئة

تكون وظائف التجزئة التقليدية والتشفيرية حتمية. تعني الحتمية أنه، ما دامت المدخلة لا تتغير، سيقوم خوارزمية التجزئة بإنتاج نفس الخرج بشكل غير متغير ( المعروفة أيضًا باسم التجزئة أو التجزئة ).

عادةً ما تكون خوارزميات التجزئة المستخدمة في العملات المشفرة مصممة كوظائف ذات اتجاه واحد، مما يعني أنه لا يمكن عكسها بسهولة دون كميات كبيرة من الوقت والموارد الحاسوبية. بعبارة أخرى، من السهل إلى حد ما إنشاء المخرج من المدخل، ولكن من الصعب نسبيًا الذهاب في الاتجاه المعاكس ( لإنشاء المدخل فقط من المخرج ). بشكل عام، كلما كان من الأصعب العثور على المدخل الأصلي، اعتُبر خوارزمية التجزئة أكثر أمانًا.

كيف تعمل دالة التجزئة؟

تنتج وظائف التجزئة المختلفة مخرجات بأحجام مختلفة، ولكن أحجام المخرجات الممكنة لكل خوارزمية تجزئة تكون دائمًا ثابتة. على سبيل المثال، يمكن لخوارزمية SHA-256 أن تنتج فقط مخرجات بحجم 256 بت، بينما ستولد SHA-1 دائمًا ملخصًا بحجم 160 بت.

لإيضاح ذلك، دعنا نمرر كلمتي "Trading" و "trading" عبر خوارزمية التجزئة SHA-256 ( المستخدمة في Bitcoin):

** SHA-256 **

إدخال: تداول (256 bits) الإخراج: 95d1a7ca65e8e7a866be323693fd2c22e07d8f198695481f1660e12142cdbecc

إدخال: التداول (256 bits) الإخراج: 2180de693ed2598851b751454f78332a363a0ddb0376db0e4fc9eedb25cde194

لاحظ أن تغييرًا صغيرًا ( في حرف البداية الكبير ) أدى إلى قيمة تجزئة مختلفة تمامًا. ولكن نظرًا لأننا نستخدم SHA-256، فإن المخرجات ستظل دائمًا بحجم ثابت قدره 256 بت ( أو 64 حرفًا سداسيًا )، بغض النظر عن حجم الإدخال. بالإضافة إلى ذلك، لا يهم عدد المرات التي نقوم فيها بمعالجة الكلمتين باستخدام الخوارزمية، ستبقى المخرجات ثابتة.

من ناحية أخرى، إذا قمنا بتنفيذ نفس المدخلات عبر خوارزمية التجزئة SHA-1، فسنحصل على النتائج التالية:

** SHA-1 **

إدخال: التداول (160 bits) الإخراج: 37736e173a824ff9cecc9b5de47f5bda155b7f51

إدخال: التداول (160 bits) الإخراج: 7da19b30a5c5c198709373e8eb7d5c33a3f48241

من المهم الإشارة إلى أن SHA تعني خوارزميات التجزئة الآمنة. تشير إلى مجموعة من دوال التجزئة التشفيرية التي تشمل خوارزميات SHA-0 و SHA-1 جنبًا إلى جنب مع عائلات SHA-2 و SHA-3. يعتبر SHA-256 جزءًا من عائلة SHA-2، إلى جانب SHA-512 وغيرهما من المتغيرات. حاليًا، تعتبر فقط عائلات SHA-2 و SHA-3 آمنة للاستخدامات التشفيرية.

أهمية وظائف التجزئة

تتمتع دوال التجزئة التقليدية بمجموعة واسعة من حالات الاستخدام، بما في ذلك البحث في قواعد البيانات، وتحليل الملفات الكبيرة، وإدارة البيانات. من ناحية أخرى، تُستخدم دوال التجزئة التشفيرية على نطاق واسع في تطبيقات أمن المعلومات، مثل مصادقة الرسائل والبصمة الرقمية. في سياق البيتكوين، تعتبر دوال التجزئة التشفيرية جزءًا أساسيًا من عملية التعدين، كما تلعب دورًا حيويًا في إنشاء عناوين جديدة ومفاتيح.

تظهر القوة الحقيقية للتجزئة عند التعامل مع كميات هائلة من المعلومات. على سبيل المثال، يمكن معالجة ملف كبير أو مجموعة بيانات من خلال دالة تجزئة ثم استخدام ناتجها للتحقق بسرعة من دقة البيانات وسلامتها. وهذا ممكن بسبب الطبيعة الحتمية لدالات التجزئة: المدخلات ستؤدي دائمًا إلى ناتج مبسط ومكثف (التجزئة). هذه التقنية تلغي الحاجة إلى تخزين و"تذكر" كميات كبيرة من البيانات.

التجزئة مفيدة بشكل خاص في سياق تقنية blockchain. تحتوي blockchain الخاصة بـ Bitcoin على عمليات متنوعة تتضمن التجزئة، معظمها ضمن عملية التعدين. في الواقع، تعتمد معظم بروتوكولات العملات المشفرة على التجزئة لربط وتكثيف مجموعات المعاملات في كتل، وأيضًا لإنتاج روابط تشفيرية بين كل كتلة، مما يخلق فعليًا سلسلة من الكتل.

وظائف التجزئة التشفيرية وخصائصها

يمكن تعريف دالة التجزئة التي تنفذ تقنيات التشفير بأنها دالة تجزئة تشفيرية. بشكل عام، يتطلب كسر دالة التجزئة التشفيرية عددًا لا نهائيًا من المحاولات عن طريق القوة الغاشمة. من أجل "عكس" دالة التجزئة التشفيرية، سيحتاج الشخص إلى تخمين ما كانت عليه المدخلات من خلال التجربة والخطأ حتى يتم إنتاج المخرج المقابل. ومع ذلك، هناك أيضًا احتمال أن تنتج مدخلات مختلفة نفس المخرج تمامًا، وفي هذه الحالة تحدث "اصطدام".

تقنياً، يجب أن تلبي دالة التجزئة التشفيرية ثلاث خصائص لتعتبر آمنة بشكل فعال:

• مقاومة التصادمات: من غير الممكن العثور على مدخلين مختلفين ينتجان نفس التجزئة كخرج
• مقاومة لما قبل الصورة: من المستحيل "عكس" وظيفة التجزئة ( لإيجاد المدخل من مخرج معين )
• مقاومة الصورة الثانية: من غير الممكن العثور على أي إدخال ثانٍ يتصادم مع إدخال معين.

مقاومة التصادمات

كما ذكرت، تحدث الاصطدامات عندما تنتج مدخلات مختلفة نفس التجزئة تمامًا. وبالتالي، تعتبر دالة التجزئة مقاومة للاصطدامات حتى يجد شخص ما اصطدامًا. لاحظ أنه ستظل هناك اصطدامات دائمًا لأي دالة تجزئة لأن المدخلات الممكنة لا نهائية، بينما المخرجات الممكنة محدودة.

بعبارة أخرى، فإن وظيفة التجزئة مقاومة للاصطدامات عندما تكون إمكانية العثور على اصطدام منخفضة لدرجة أنها ستتطلب ملايين السنين من الحسابات. لذلك، على الرغم من عدم وجود وظائف تجزئة خالية من الاصطدامات، إلا أن هناك بعض الوظائف القوية بما يكفي لتعتبر مقاومة (على سبيل المثال، SHA-256).

بين خوارزميات SHA المتنوعة، لم تعد عائلتا SHA-0 و SHA-1 آمنتين لأن هناك تصادمات تم العثور عليها. حاليًا، تعتبر عائلتا SHA-2 و SHA-3 مقاومة للتصادمات.

مقاومة ما قبل الصورة

ترتبط خاصية مقاومة ما قبل الصورة بمفهوم الدوال أحادية الاتجاه. تعتبر دالة التجزئة مقاومة لمسبق الصورة عندما تكون هناك احتمالية منخفضة جدًا لأن يتمكن شخص ما من العثور على الإدخال الذي أنتج مخرجات معينة.

هذه الخاصية تختلف عن السابقة لأن المهاجم سيحاول تخمين ما كانت عليه المدخلات من خلال مراقبة مخرج معين. من ناحية أخرى، تحدث الاصطدامات عندما يجد شخص ما مدخلين مختلفين ينتجان نفس المخرج، بغض النظر عن المدخلات المستخدمة.

تعتبر خاصية مقاومة ما قبل الصورة قيمة لحماية البيانات لأن التجزئة البسيطة لرسالة يمكن أن تثبت صحتها دون الحاجة إلى الكشف عن المعلومات. في الممارسة العملية ، يقوم العديد من مزودي الخدمات والتطبيقات على الويب بتخزين واستخدام التجزئات التي تم إنشاؤها من كلمات المرور بدلاً من كلمات المرور النصية العادية. حتى في منصات التداول ، تعتبر هذه التقنية أساسية لحماية بيانات اعتماد المستخدمين.

مقاومة الصورة السابقة الثانية

لتبسيط الأمر، يمكننا أن نقول إن مقاومة ما قبل الصورة الثانية تقع في مكان ما بين الخاصيتين الأخريين. يحدث هجوم ما قبل الصورة الثانية عندما يتمكن شخص ما من العثور على مدخل معين ينتج نفس المخرج مثل مدخل معروف بالفعل.

بعبارة أخرى، يتضمن هجوم ما قبل الصورة الثانية العثور على تصادم، ولكن بدلاً من البحث عن مدخلين عشوائيين ينتجان نفس التجزئة، يسعى المهاجم إلى العثور على مدخل ينتج نفس التجزئة الناتجة عن مدخل معين آخر.

لذلك، فإن أي دالة تجزئة مقاومة للاصطدامات ستكون أيضًا مقاومة لهجمات الصورة الثانية، حيث ستتضمن هذه دائمًا اصطدامًا. ومع ذلك، لا يزال من الممكن تنفيذ هجوم على صورة في دالة مقاومة للاصطدامات، حيث يتضمن ذلك العثور على إدخال فريد من مخرج فريد.

التعدين والتجزئة في العملات المشفرة

هناك العديد من الخطوات في تعدين البيتكوين التي تتضمن وظائف التجزئة، مثل التحقق من الأرصدة، وربط المدخلات والمخرجات للمعاملات، وتجميع المعاملات داخل كتلة لتشكيل شجرة ميركل. ولكن واحدة من الأسباب الرئيسية التي تجعل سلسلة الكتل الخاصة بالبيتكوين آمنة هي حقيقة أن المعدنين يحتاجون إلى إجراء عدد لا يحصى من عمليات التجزئة في نهاية المطاف للعثور على حل صالح للكتلة التالية.

على وجه التحديد، يجب على المُعدّن محاولة عدة مدخلات مختلفة عند إنشاء قيمة التجزئة لكتلته المرشحة. في جوهرها، لن يتمكن من التحقق من كتلته إلا إذا قام بتوليد تجزئة خرج تبدأ بعدد معين من الأصفار. عدد الأصفار هو ما يحدد صعوبة التعدين ويختلف وفقًا لمعدل التجزئة المخصص للشبكة.

في هذه الحالة، تمثل نسبة التجزئة مقدار القوة الحاسوبية التي يتم استثمارها في تعدين البيتكوين. إذا زادت نسبة التجزئة للشبكة، سيقوم بروتوكول البيتكوين بضبط صعوبة التعدين تلقائيًا بحيث تظل المدة الزمنية المتوسطة اللازمة لتعدين كتلة قريبة من 10 دقائق. على العكس من ذلك، إذا قرر العديد من عمال المناجم التوقف عن التعدين، مما يجعل نسبة التجزئة تنخفض بشكل ملحوظ، ستتعدل صعوبة التعدين، مما يسهل التعدين ( حتى تعود المدة الزمنية المتوسطة للكتلة إلى 10 دقائق ).

لا يحتاج عمال المناجم إلى العثور على تصادمات لأنه يوجد العديد من التجزئات التي يمكن أن تنتج كمخرجات صالحة ( تبدأ بعدد معين من الأصفار ). لذلك، هناك العديد من الحلول الممكنة لكتلة معينة، ويحتاج عمال المناجم فقط إلى العثور على واحدة منها، وفقًا للحد المحدد من قبل صعوبة التعدين.

نظرًا لأن تعدين البيتكوين هو مهمة مكلفة من حيث الطاقة والمعدات، ليس لدى المعدنين دوافع لخداع النظام، حيث إن هذا سيؤدي إلى خسائر مالية كبيرة. كلما زاد عدد المعدنين الذين يلتزمون بسلسلة الكتل، كلما أصبحت أكبر وأقوى.

التطبيقات العملية للتجزئة في عالم العملات الرقمية

تستخدم التجزئة في العديد من التطبيقات العملية في نظام العملات المشفرة ومنصات التداول:

• التحقق من المعاملات: كل معاملة في سلسلة الكتل تتلقى تجزئة فريدة تعمل كمعرف وتسمح بالتحقق من عدم تعديل المعاملة.

• توليد العناوين: يتم توليد عناوين العملات المشفرة من خلال تطبيق وظائف التجزئة على المفاتيح العامة، مما يزيد من الأمان ويقلل من حجم العناوين.

• تخزين آمن لكلمات المرور: تستخدم منصات التداول وظائف التجزئة لتخزين كلمات مرور مستخدميها بشكل آمن، حيث تحتفظ فقط بالتجزئات بدلاً من كلمات المرور الأصلية.

• إثبات العمل: هذه الآلية للتوافق، التي تستخدمها البيتكوين والعملات المشفرة الأخرى، تعتمد أساسًا على خاصية الاتجاه الواحد لدوال التجزئة.

• سلامة البيانات: تستخدم المنصات التجزئة للتحقق من أن الملفات أو البيانات المنقولة لم يتم تعديلها أثناء النقل.

الاستنتاج

تعتبر وظائف التجزئة أدوات أساسية في علوم الحاسوب، خاصة عندما يتعلق الأمر بكميات كبيرة من البيانات. عندما يتم دمجها مع التشفير، يمكن أن تكون خوارزميات التجزئة متعددة الاستخدامات، حيث تقدم الأمان والمصادقة بطرق مختلفة. باعتبارها كذلك، فإن وظائف التجزئة التشفيرية حيوية تقريبًا لجميع شبكات العملات المشفرة ومنصات التداول، لذا فإن فهم خصائصها وآليات عملها مفيد بالتأكيد لأي شخص مهتم بتكنولوجيا البلوكشين أو تداول الأصول الرقمية.

في عالم رقمي متزايد، حيث تعتبر أمان البيانات والمعاملات أمرًا أساسيًا، تظل وظائف التجزئة واحدة من الركائز الأساسية التي تدعم الثقة في الأنظمة التشفيرية الحديثة.