¿Qué es un Hash? Principios, Criptografía y Aplicaciones en Blockchain

El hashing se refiere al proceso de generar una salida de tamaño fijo a partir de una entrada de tamaño variable. Este proceso se realiza mediante fórmulas matemáticas conocidas como funciones hash (implementadas como algoritmos hash).

Aunque no todas las funciones hash implican el uso de criptografía, las denominadas funciones hash criptográficas constituyen el núcleo de las criptomonedas. Gracias a ellas, las blockchains y otros sistemas distribuidos pueden alcanzar niveles significativos de integridad y seguridad de datos.

Fundamentos de las funciones hash

Las funciones hash convencionales y criptográficas son determinísticas. Ser determinístico significa que, siempre que la entrada no cambie, el algoritmo hash producirá invariablemente la misma salida (también conocida como digest o hash).

Típicamente, los algoritmos hash utilizados en criptomonedas están diseñados como funciones unidireccionales, lo que significa que no pueden revertirse fácilmente sin grandes cantidades de tiempo y recursos computacionales. En otras palabras, es bastante sencillo crear la salida a partir de la entrada, pero relativamente difícil ir en la dirección opuesta (generar la entrada solo con la salida). En general, cuanto más difícil sea encontrar la entrada original, más seguro se considerará el algoritmo de hashing.

¿Cómo funciona una función hash?

Diferentes funciones hash producen salidas de diferentes tamaños, pero los posibles tamaños de salida para cada algoritmo hash son siempre constantes. Por ejemplo, el algoritmo SHA-256 solo puede producir salidas de 256 bits, mientras que SHA-1 siempre generará un digest de 160 bits.

Para ilustrar esto, ejecutemos las palabras "Trading" y "trading" a través del algoritmo hash SHA-256 (el utilizado en Bitcoin):

SHA-256

Entrada: Trading
Salida (256 bits): 95d1a7ca65e8e7a866be323693fd2c22e07d8f198695481f1660e12142cdbecc

Entrada: trading
Salida (256 bits): 2180de693ed2598851b751454f78332a363a0ddb0376db0e4fc9eedb25cde194

Observe que un pequeño cambio (la mayúscula de la primera letra) resultó en un valor hash completamente diferente. Pero como estamos utilizando SHA-256, las salidas siempre tendrán un tamaño fijo de 256 bits (o 64 caracteres hexadecimales), independientemente del tamaño de la entrada. Además, no importa cuántas veces procesemos las dos palabras con el algoritmo, las salidas permanecerán constantes.

Por otro lado, si ejecutamos las mismas entradas a través del algoritmo hash SHA-1, obtendremos los siguientes resultados:

SHA-1

Entrada: Trading
Salida (160 bits): 37736e173a824ff9cecc9b5de47f5bda155b7f51

Entrada: trading
Salida (160 bits): 7da19b30a5c5c198709373e8eb7d5c33a3f48241

Es importante señalar que SHA significa Secure Hash Algorithms. Se refiere a un conjunto de funciones hash criptográficas que incluyen los algoritmos SHA-0 y SHA-1 junto con las familias SHA-2 y SHA-3. El SHA-256 forma parte de la familia SHA-2, junto con SHA-512 y otras variantes. Actualmente, solo las familias SHA-2 y SHA-3 se consideran seguras para aplicaciones criptográficas.

Importancia de las funciones hash

Las funciones hash convencionales tienen una amplia variedad de casos de uso, incluyendo búsquedas en bases de datos, análisis de archivos grandes y gestión de datos. Por otro lado, las funciones hash criptográficas se utilizan ampliamente en aplicaciones de seguridad informática, como autenticación de mensajes y fingerprinting digital. En el contexto de Bitcoin, las funciones hash criptográficas son parte esencial del proceso de minería y también desempeñan un papel crucial en la generación de nuevas direcciones y claves.

El verdadero poder del hashing emerge al manejar enormes cantidades de información. Por ejemplo, se puede procesar un archivo grande o conjunto de datos a través de una función hash y luego utilizar su salida para verificar rápidamente la precisión e integridad de los datos. Esto es posible debido a la naturaleza determinística de las funciones hash: la entrada siempre resultará en una salida simplificada y condensada (hash). Esta técnica elimina la necesidad de almacenar y "recordar" grandes cantidades de datos.

El hashing es particularmente útil en el contexto de la tecnología blockchain. La blockchain de Bitcoin tiene diversas operaciones que involucran hashing, la mayoría dentro del proceso de minería. De hecho, casi todos los protocolos de criptomonedas dependen del hashing para vincular y condensar grupos de transacciones en bloques, y también para producir enlaces criptográficos entre cada bloque, creando efectivamente una cadena de bloques.

Funciones hash criptográficas y sus propiedades

Una función hash que implementa técnicas criptográficas puede definirse como una función hash criptográfica. En general, romper una función hash criptográfica requiere una infinidad de intentos por fuerza bruta. Para "revertir" una función hash criptográfica, una persona necesitaría adivinar cuál fue la entrada por ensayo y error hasta que se produzca la salida correspondiente. Sin embargo, también existe la posibilidad de que diferentes entradas produzcan exactamente la misma salida, en cuyo caso ocurre una "colisión".

Técnicamente, una función hash criptográfica necesita cumplir tres propiedades para considerarse efectivamente segura:

• Resistencia a colisiones: inviable encontrar dos entradas distintas que produzcan el mismo hash como salida
• Resistencia a preimagen: inviable "revertir" la función hash (encontrar la entrada a partir de una salida dada)
• Resistencia a segunda preimagen: inviable encontrar cualquier segunda entrada que colisione con una entrada específica

Resistencia a colisiones

Como se mencionó, una colisión ocurre cuando entradas diferentes producen exactamente el mismo hash. Así, una función hash se considera resistente a colisiones hasta el momento en que alguien encuentra una colisión. Observe que siempre existirán colisiones para cualquier función hash porque las entradas posibles son infinitas, mientras que las salidas posibles son finitas.

En otras palabras, una función hash es resistente a colisiones cuando la posibilidad de encontrar una colisión es tan baja que requeriría millones de años de cálculos. Por lo tanto, aunque no existen funciones hash libres de colisiones, algunas son lo suficientemente fuertes para considerarse resistentes (por ejemplo, SHA-256).

Entre los diversos algoritmos SHA, las familias SHA-0 y SHA-1 ya no son seguras porque se han encontrado colisiones. Actualmente, las familias SHA-2 y SHA-3 se consideran resistentes a colisiones.

Resistencia a preimagen

La propiedad de resistencia a preimagen está relacionada con el concepto de funciones unidireccionales. Una función hash se considera resistente a preimagen cuando existe una probabilidad muy baja de que alguien encuentre la entrada que generó una salida específica.

Esta propiedad es diferente a la anterior porque un atacante intentaría adivinar cuál fue la entrada observando una salida determinada. Una colisión, por otro lado, ocurre cuando alguien encuentra dos entradas diferentes que generan la misma salida, sin importar cuáles fueron las entradas utilizadas.

La propiedad de resistencia a preimagen es valiosa para la protección de datos porque un simple hash de un mensaje puede probar su autenticidad sin necesidad de revelar la información. En la práctica, muchos proveedores de servicios y aplicaciones web almacenan y utilizan hashes generados a partir de contraseñas en lugar de contraseñas en texto plano. Incluso en plataformas de trading, esta técnica es fundamental para proteger las credenciales de los usuarios.

Resistencia a segunda preimagen

Para simplificar, podemos decir que la resistencia a segunda preimagen se sitúa en algún punto entre las otras dos propiedades. Un ataque de segunda preimagen ocurre cuando alguien logra encontrar una entrada específica que genera la misma salida que otra entrada ya conocida.

En otras palabras, un ataque de segunda preimagen implica encontrar una colisión, pero en lugar de buscar dos entradas aleatorias que generen el mismo hash, el atacante busca una entrada que genere el mismo hash producido por otra entrada específica.

Por lo tanto, cualquier función hash resistente a colisiones también es resistente a ataques de segunda preimagen, ya que estos siempre implicarán una colisión. Sin embargo, todavía es posible realizar un ataque de preimagen en una función resistente a colisiones, ya que esto implica encontrar una única entrada a partir de una única salida.

Minería y hashing en criptomonedas

Hay muchos pasos en la minería de Bitcoin que involucran funciones hash, como verificación de saldos, vinculación de entradas y salidas de transacciones, y hash de transacciones dentro de un bloque para formar un árbol Merkle. Pero una de las principales razones por las que la blockchain de Bitcoin es segura es el hecho de que los mineros necesitan realizar innumerables operaciones de hashing para eventualmente encontrar una solución válida para el próximo bloque.

Específicamente, un minero debe intentar varias entradas diferentes al crear un valor hash para su bloque candidato. En esencia, solo podrá validar su bloque si genera un hash de salida que comience con cierto número de ceros. El número de ceros es lo que determina la dificultad de minería y varía según la tasa de hash dedicada a la red.

En este caso, la tasa de hash representa cuánta potencia computacional se está invirtiendo en la minería de Bitcoin. Si la tasa de hash de la red aumenta, el protocolo Bitcoin ajustará automáticamente la dificultad de minería para que el tiempo promedio necesario para minar un bloque permanezca cerca de 10 minutos. Por el contrario, si varios mineros deciden dejar de minar, haciendo que la tasa de hash caiga significativamente, la dificultad de minería se ajustará, facilitando la minería (hasta que el tiempo promedio de bloque vuelva a 10 minutos).

Los mineros no necesitan encontrar colisiones porque hay varios hashes que pueden generar como salida válida (comenzando con cierto número de ceros). Por lo tanto, existen varias soluciones posibles para un bloque determinado, y los mineros solo necesitan encontrar una de ellas, de acuerdo con el límite determinado por la dificultad de minería.

Como la minería de Bitcoin es una tarea costosa en términos energéticos y de equipamiento, los mineros no tienen motivos para engañar al sistema, ya que esto llevaría a pérdidas financieras significativas. Cuantos más mineros se adhieren a una blockchain, más grande y fuerte se vuelve.

Aplicaciones prácticas del hashing en el mundo cripto

El hashing tiene numerosas aplicaciones prácticas en el ecosistema de criptomonedas y en las plataformas de trading:

• Verificación de transacciones: Cada transacción en una blockchain recibe un hash único que sirve como identificador y permite verificar que la transacción no ha sido alterada.

• Generación de direcciones: Las direcciones de criptomonedas se generan aplicando funciones hash a las claves públicas, aumentando la seguridad y reduciendo el tamaño de las direcciones.

• Almacenamiento seguro de contraseñas: Las plataformas de trading utilizan funciones hash para almacenar las contraseñas de sus usuarios de manera segura, guardando solo los hashes en lugar de las contraseñas originales.

• Proof of Work: Este mecanismo de consenso, utilizado por Bitcoin y otras criptomonedas, se basa fundamentalmente en la propiedad de unidireccionalidad de las funciones hash.

• Integridad de datos: Las plataformas utilizan hashes para verificar que los archivos o datos transferidos no han sido modificados durante la transmisión.

Conclusión

Las funciones hash son herramientas esenciales en la ciencia de la computación, especialmente cuando se trata de grandes cantidades de datos. Cuando se combinan con criptografía, los algoritmos hash pueden ser bastante versátiles, ofreciendo seguridad y autenticación de muchas maneras diferentes. Como tales, las funciones hash criptográficas son vitales para casi todas las redes de criptomonedas y plataformas de trading, por lo que comprender sus propiedades y mecanismos de funcionamiento es ciertamente útil para cualquier persona interesada en la tecnología blockchain o el trading de activos digitales.

En un mundo cada vez más digital, donde la seguridad de los datos y las transacciones es primordial, las funciones hash continúan siendo uno de los pilares fundamentales que sustentan la confianza en los sistemas criptográficos modernos.