Qu'est-ce qu'un Hash ? Principes, Cryptographie et Applications dans la Blockchain

Le hashing fait référence au processus de génération d'une sortie de taille fixe à partir d'une entrée de taille variable. Ce processus est réalisé à l'aide de formules mathématiques connues sous le nom de fonctions hash ( mises en œuvre sous forme d'algorithmes hash).

Bien que toutes les fonctions hash n'impliquent pas l'utilisation de la cryptographie, les dites fonctions hash cryptographiques constituent le noyau des cryptomonnaies. Grâce à elles, les blockchains et d'autres systèmes distribués peuvent atteindre des niveaux significatifs d'intégrité et de sécurité des données.

Fondements des fonctions hash

Les fonctions hash conventionnelles et cryptographiques sont déterministes. Être déterministe signifie que, tant que l'entrée ne change pas, l'algorithme hash produira invariablement la même sortie ( également connue sous le nom de digest ou hash).

Typiquement, les algorithmes hash utilisés dans les cryptomonnaies sont conçus comme des fonctions unidirectionnelles, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être facilement inversés sans de grandes quantités de temps et de ressources informatiques. En d'autres termes, il est assez simple de créer la sortie à partir de l'entrée, mais relativement difficile d'aller dans la direction opposée ( pour générer l'entrée uniquement avec la sortie ). En général, plus il est difficile de trouver l'entrée originale, plus l'algorithme de hachage sera considéré comme sécurisé.

Comment fonctionne une fonction hash ?

Différentes fonctions hash produisent des sorties de tailles différentes, mais les tailles de sortie possibles pour chaque algorithme hash sont toujours constantes. Par exemple, l'algorithme SHA-256 ne peut produire que des sorties de 256 bits, tandis que SHA-1 générera toujours un digest de 160 bits.

Pour illustrer cela, exécutons les mots "Trading" et "trading" à travers l'algorithme hash SHA-256 ( utilisé dans Bitcoin ) :

SHA-256

Entrée : Trading Sortie (256 bits) : 95d1a7ca65e8e7a866be323693fd2c22e07d8f198695481f1660e12142cdbecc

Entrée : trading Sortie (256 bits) : 2180de693ed2598851b751454f78332a363a0ddb0376db0e4fc9eedb25cde194

Remarquez qu'un petit changement (la majuscule de la première lettre) a entraîné une valeur hash complètement différente. Mais comme nous utilisons SHA-256, les sorties auront toujours une taille fixe de 256 bits (ou 64 caractères hexadécimaux), peu importe la taille de l'entrée. De plus, peu importe combien de fois nous traitons les deux mots avec l'algorithme, les sorties resteront constantes.

D'autre part, si nous exécutons les mêmes entrées à travers l'algorithme hash SHA-1, nous obtiendrons les résultats suivants :

SHA-1

Entrée : Trading Sortie (160 bits) : 37736e173a824ff9cecc9b5de47f5bda155b7f51

Entrée : trading Sortie (160 bits) : 7da19b30a5c5c198709373e8eb7d5c33a3f48241

Il est important de noter que SHA signifie Secure Hash Algorithms. Cela fait référence à un ensemble de fonctions de hachage cryptographiques qui incluent les algorithmes SHA-0 et SHA-1 ainsi que les familles SHA-2 et SHA-3. Le SHA-256 fait partie de la famille SHA-2, avec le SHA-512 et d'autres variantes. Actuellement, seules les familles SHA-2 et SHA-3 sont considérées comme sûres pour les applications cryptographiques.

Importance des fonctions hash

Les fonctions hash conventionnelles ont une large variété de cas d'utilisation, y compris les recherches dans les bases de données, l'analyse de fichiers volumineux et la gestion des données. D'autre part, les fonctions hash cryptographiques sont largement utilisées dans les applications de sécurité informatique, comme l'authentification des messages et le fingerprinting numérique. Dans le contexte de Bitcoin, les fonctions hash cryptographiques sont une partie essentielle du processus de minage et jouent également un rôle crucial dans la génération de nouvelles adresses et clés.

Le véritable pouvoir du hashing émerge lorsque l'on traite d'énormes quantités d'informations. Par exemple, on peut traiter un grand fichier ou un ensemble de données à travers une fonction hash et ensuite utiliser sa sortie pour vérifier rapidement l'exactitude et l'intégrité des données. Cela est possible grâce à la nature déterministe des fonctions hash : l'entrée donnera toujours une sortie simplifiée et condensée (hash). Cette technique élimine le besoin de stocker et de "se souvenir" de grandes quantités de données.

Le hashing est particulièrement utile dans le contexte de la technologie blockchain. La blockchain de Bitcoin a diverses opérations qui impliquent le hashing, la plupart dans le processus de minage. En fait, presque tous les protocoles de cryptomonnaies dépendent du hashing pour lier et condenser des groupes de transactions en blocs, et aussi pour produire des liens cryptographiques entre chaque bloc, créant ainsi efficacement une chaîne de blocs.

Fonctions de hachage cryptographiques et leurs propriétés

Une fonction hash qui implémente des techniques cryptographiques peut être définie comme une fonction hash cryptographique. En général, briser une fonction hash cryptographique nécessite une infinité d'essais par force brute. Pour "inverser" une fonction hash cryptographique, une personne devrait deviner quelle a été l'entrée par essai et erreur jusqu'à ce que la sortie correspondante soit produite. Cependant, il existe également la possibilité que différentes entrées produisent exactement la même sortie, auquel cas une "collision" se produit.

Techniquement, une fonction de hachage cryptographique doit satisfaire trois propriétés pour être considérée comme effectivement sécurisée :

• Résistance aux collisions : il est inviable de trouver deux entrées distinctes qui produisent le même hash en sortie.
• Résistance à la préimage : il est inviable de "revenir en arrière" de la fonction hash ( pour trouver l'entrée à partir d'une sortie donnée )
• Résistance à la seconde préimage : il est inviable de trouver une seconde entrée qui entre en collision avec une entrée spécifique

Résistance aux collisions

Comme mentionné, une collision se produit lorsque des entrées différentes produisent exactement le même hash. Ainsi, une fonction hash est considérée comme résistante aux collisions jusqu'à ce que quelqu'un trouve une collision. Notez qu'il existera toujours des collisions pour toute fonction hash car les entrées possibles sont infinies, tandis que les sorties possibles sont finies.

En d'autres termes, une fonction hash est résistante aux collisions lorsque la possibilité de trouver une collision est si faible qu'elle nécessiterait des millions d'années de calculs. Par conséquent, bien qu'il n'existe pas de fonctions hash exemptes de collisions, certaines sont suffisamment solides pour être considérées comme résistantes ( par exemple, SHA-256 ).

Parmi les différents algorithmes SHA, les familles SHA-0 et SHA-1 ne sont plus sécurisées car des collisions ont été trouvées. Actuellement, les familles SHA-2 et SHA-3 sont considérées comme résistantes aux collisions.

Résistance à la préimage

La propriété de résistance à la préimage est liée au concept de fonctions à sens unique. Une fonction hash est considérée comme résistante à la préimage lorsqu'il existe une très faible probabilité que quelqu'un trouve l'entrée qui a généré une sortie spécifique.

Cette propriété est différente de la précédente car un attaquant essaierait de deviner quelle a été l'entrée en observant une sortie donnée. Une collision, en revanche, se produit lorsque quelqu'un trouve deux entrées différentes qui génèrent la même sortie, peu importe quelles étaient les entrées utilisées.

La propriété de résistance à la préimage est précieuse pour la protection des données, car un simple hash d'un message peut prouver son authenticité sans avoir à révéler l'information. En pratique, de nombreux fournisseurs de services et applications web stockent et utilisent des hashes générés à partir de mots de passe au lieu de mots de passe en texte clair. Même sur les plateformes de trading, cette technique est fondamentale pour protéger les identifiants des utilisateurs.

Résistance à la seconde préimage

Pour simplifier, nous pouvons dire que la résistance à la seconde préimage se situe à un certain point entre les deux autres propriétés. Une attaque de seconde préimage se produit lorsque quelqu'un parvient à trouver une entrée spécifique qui génère la même sortie qu'une autre entrée déjà connue.

En d'autres termes, une attaque de seconde préimage implique de trouver une collision, mais au lieu de chercher deux entrées aléatoires qui produisent le même hash, l'attaquant cherche une entrée qui génère le même hash produit par une autre entrée spécifique.

Par conséquent, toute fonction hash résistante aux collisions est également résistante aux attaques de seconde préimage, car celles-ci impliqueront toujours une collision. Cependant, il est encore possible de réaliser une attaque de préimage sur une fonction résistante aux collisions, car cela implique de trouver une seule entrée à partir d'une seule sortie.

Minage et hashage dans les cryptomonnaies

Il y a de nombreuses étapes dans le minage de Bitcoin qui impliquent des fonctions hash, comme la vérification des soldes, le lien entre les entrées et les sorties des transactions, et le hash des transactions à l'intérieur d'un bloc pour former un arbre Merkle. Mais l'une des principales raisons pour lesquelles la blockchain de Bitcoin est sécurisée est le fait que les mineurs doivent effectuer d'innombrables opérations de hashing pour finalement trouver une solution valide pour le prochain bloc.

Spécifiquement, un mineur doit essayer plusieurs entrées différentes lors de la création d'une valeur hash pour son bloc candidat. En essence, il ne pourra valider son bloc que s'il génère un hash de sortie qui commence par un certain nombre de zéros. Le nombre de zéros détermine la difficulté de minage et varie en fonction du taux de hash dédié au réseau.

Dans ce cas, le taux de hash représente la puissance de calcul investie dans le minage de Bitcoin. Si le taux de hash du réseau augmente, le protocole Bitcoin ajustera automatiquement la difficulté de minage afin que le temps moyen nécessaire pour miner un bloc reste proche de 10 minutes. En revanche, si plusieurs mineurs décident d'arrêter de miner, ce qui fait chuter significativement le taux de hash, la difficulté de minage sera ajustée, facilitant le minage ( jusqu'à ce que le temps moyen de bloc revienne à 10 minutes ).

Les mineurs n'ont pas besoin de trouver des collisions car il existe plusieurs hashes qui peuvent générer comme sortie valide ( commençant par un certain nombre de zéros ). Par conséquent, il existe plusieurs solutions possibles pour un bloc donné, et les mineurs n'ont besoin de trouver qu'une seule d'entre elles, conformément à la limite déterminée par la difficulté de minage.

Comme le minage de Bitcoin est une tâche coûteuse en termes d'énergie et d'équipement, les mineurs n'ont pas de raisons de tromper le système, car cela entraînerait des pertes financières significatives. Plus il y a de mineurs qui adhèrent à une blockchain, plus elle devient grande et forte.

Applications pratiques du hashing dans le monde crypto

Le hashing a de nombreuses applications pratiques dans l'écosystème des cryptomonnaies et sur les plateformes de trading :

• Vérification des transactions : Chaque transaction sur une blockchain reçoit un hash unique qui sert d'identifiant et permet de vérifier que la transaction n'a pas été altérée.

• Génération d'adresses : Les adresses de cryptomonnaies sont générées en appliquant des fonctions hash aux clés publiques, augmentant la sécurité et réduisant la taille des adresses.

• Stockage sécurisé des mots de passe : Les plateformes de trading utilisent des fonctions hash pour stocker les mots de passe de leurs utilisateurs de manière sécurisée, en ne conservant que les hashes au lieu des mots de passe d'origine.

• Proof of Work : Ce mécanisme de consensus, utilisé par Bitcoin et d'autres cryptomonnaies, repose fondamentalement sur la propriété d'unidirectionnalité des fonctions hash.

• Intégrité des données : Les plateformes utilisent des hashes pour vérifier que les fichiers ou données transférés n'ont pas été modifiés pendant la transmission.

Conclusion

Les fonctions hash sont des outils essentiels en informatique, en particulier lorsqu'il s'agit de grandes quantités de données. Lorsqu'elles sont combinées avec la cryptographie, les algorithmes hash peuvent être assez polyvalents, offrant sécurité et authentification de nombreuses manières différentes. En tant que telles, les fonctions hash cryptographiques sont vitales pour presque tous les réseaux de cryptomonnaies et plateformes de trading, donc comprendre leurs propriétés et mécanismes de fonctionnement est certainement utile pour quiconque s'intéresse à la technologie blockchain ou au trading d'actifs numériques.

Dans un monde de plus en plus numérique, où la sécurité des données et des transactions est primordiale, les fonctions hash continuent d'être l'un des piliers fondamentaux qui soutiennent la confiance dans les systèmes cryptographiques modernes.