O que é um Hash? Princípios, Criptografia e Aplicações em Blockchain

O hashing refere-se ao processo de gerar uma saída de tamanho fixo a partir de uma entrada de tamanho variável. Este processo é realizado através de fórmulas matemáticas conhecidas como funções hash ( implementadas como algoritmos hash ).

Embora nem todas as funções hash impliquem o uso de criptografia, as chamadas funções hash criptográficas constituem o núcleo das criptomoedas. Graças a elas, as blockchains e outros sistemas distribuídos podem alcançar níveis significativos de integridade e segurança de dados.

Fundamentos das funções hash

As funções hash convencionais e criptográficas são determinísticas. Ser determinístico significa que, sempre que a entrada não mude, o algoritmo hash produzirá invariavelmente a mesma saída ( também conhecida como digest ou hash ).

Tipicamente, os algoritmos hash utilizados em criptomoedas são projetados como funções unidirecionais, o que significa que não podem ser revertidos facilmente sem grandes quantidades de tempo e recursos computacionais. Em outras palavras, é bastante simples criar a saída a partir da entrada, mas relativamente difícil ir na direção oposta (gerar a entrada apenas com a saída). Em geral, quanto mais difícil for encontrar a entrada original, mais seguro será considerado o algoritmo de hashing.

Como funciona uma função hash?

Diferentes funções hash produzem saídas de tamanhos diferentes, mas os tamanhos de saída possíveis para cada algoritmo hash são sempre constantes. Por exemplo, o algoritmo SHA-256 só pode produzir saídas de 256 bits, enquanto o SHA-1 sempre gerará um digest de 160 bits.

Para ilustrar isso, vamos executar as palavras "Trading" e "trading" através do algoritmo hash SHA-256 ( utilizado no Bitcoin ):

SHA-256

Entrada: Trading
Saída (256 bits): 95d1a7ca65e8e7a866be323693fd2c22e07d8f198695481f1660e12142cdbecc

Entrada: trading
Saída (256 bits): 2180de693ed2598851b751454f78332a363a0ddb0376db0e4fc9eedb25cde194

Observe que um pequeno mudança (a maiúscula da primeira letra) resultou em um valor hash completamente diferente. Mas como estamos usando SHA-256, as saídas sempre terão um tamanho fixo de 256 bits (ou 64 caracteres hexadecimais), independentemente do tamanho da entrada. Além disso, não importa quantas vezes processemos as duas palavras com o algoritmo, as saídas permanecerão constantes.

Por outro lado, se executarmos as mesmas entradas através do algoritmo hash SHA-1, obteremos os seguintes resultados:

SHA-1

Entrada: Negociação Saída (160 bits): 37736e173a824ff9cecc9b5de47f5bda155b7f51

Entrada: trading
Saída (160 bits): 7da19b30a5c5c198709373e8eb7d5c33a3f48241

É importante notar que SHA significa Secure Hash Algorithms. Refere-se a um conjunto de funções hash criptográficas que incluem os algoritmos SHA-0 e SHA-1 juntamente com as famílias SHA-2 e SHA-3. O SHA-256 faz parte da família SHA-2, juntamente com SHA-512 e outras variantes. Atualmente, apenas as famílias SHA-2 e SHA-3 são consideradas seguras para aplicações criptográficas.

Importância das funções hash

As funções hash convencionais têm uma ampla variedade de casos de uso, incluindo buscas em bases de dados, análise de arquivos grandes e gestão de dados. Por outro lado, as funções hash criptográficas são amplamente utilizadas em aplicações de segurança informática, como autenticação de mensagens e fingerprinting digital. No contexto do Bitcoin, as funções hash criptográficas são parte essencial do processo de mineração e também desempenham um papel crucial na geração de novos endereços e chaves.

O verdadeiro poder do hashing emerge ao lidar com enormes quantidades de informação. Por exemplo, pode-se processar um arquivo grande ou conjunto de dados através de uma função hash e depois utilizar a sua saída para verificar rapidamente a precisão e integridade dos dados. Isto é possível devido à natureza determinística das funções hash: a entrada resultará sempre numa saída simplificada e condensada (hash). Esta técnica elimina a necessidade de armazenar e "lembrar" grandes quantidades de dados.

A hash é particularmente útil no contexto da tecnologia blockchain. A blockchain do Bitcoin tem diversas operações que envolvem hash, a maioria dentro do processo de mineração. De fato, quase todos os protocolos de criptomoedas dependem do hash para vincular e condensar grupos de transações em blocos, e também para produzir ligações criptográficas entre cada bloco, criando efetivamente uma cadeia de blocos.

Funções hash criptográficas e suas propriedades

Uma função hash que implementa técnicas criptográficas pode ser definida como uma função hash criptográfica. Em geral, quebrar uma função hash criptográfica requer uma infinidade de tentativas por força bruta. Para "reverter" uma função hash criptográfica, uma pessoa precisaria adivinhar qual foi a entrada por tentativa e erro até que se produza a saída correspondente. No entanto, também existe a possibilidade de que diferentes entradas produzam exatamente a mesma saída, caso em que ocorre uma "colisão".

Tecnicamente, uma função hash criptográfica precisa cumprir três propriedades para ser considerada efetivamente segura:

• Resistência a colisões: inviável encontrar duas entradas distintas que produzam o mesmo hash como saída
• Resistência a pré-imagem: inviável "reverter" a função hash ( encontrar a entrada a partir de uma saída dada )
• Resistência a pré-imagem secundária: inviável encontrar qualquer segunda entrada que colida com uma entrada específica

Resistência a colisões

Como mencionado, uma colisão ocorre quando entradas diferentes produzem exatamente o mesmo hash. Assim, uma função hash é considerada resistente a colisões até que alguém encontre uma colisão. Observe que sempre existirão colisões para qualquer função hash porque as entradas possíveis são infinitas, enquanto as saídas possíveis são finitas.

Em outras palavras, uma função hash é resistente a colisões quando a possibilidade de encontrar uma colisão é tão baixa que exigiria milhões de anos de cálculos. Portanto, embora não existam funções hash livres de colisões, algumas são suficientemente fortes para serem consideradas resistentes (por exemplo, SHA-256).

Entre os diversos algoritmos SHA, as famílias SHA-0 e SHA-1 já não são seguras porque foram encontradas colisões. Atualmente, as famílias SHA-2 e SHA-3 são consideradas resistentes a colisões.

Resistência à pré-imagem

A propriedade de resistência a pré-imagem está relacionada com o conceito de funções unidireccionais. Uma função hash é considerada resistente a pré-imagem quando existe uma probabilidade muito baixa de que alguém encontre a entrada que gerou uma saída específica.

Esta propriedade é diferente da anterior porque um atacante tentaria adivinhar qual foi a entrada observando uma saída determinada. Uma colisão, por outro lado, ocorre quando alguém encontra duas entradas diferentes que geram a mesma saída, independentemente de quais foram as entradas utilizadas.

A propriedade de resistência à pré-imagem é valiosa para a proteção de dados porque um simples hash de uma mensagem pode provar sua autenticidade sem necessidade de revelar a informação. Na prática, muitos provedores de serviços e aplicações web armazenam e utilizam hashes gerados a partir de senhas em vez de senhas em texto plano. Mesmo em plataformas de trading, esta técnica é fundamental para proteger as credenciais dos usuários.

Resistência a segunda pré-imagem

Para simplificar, podemos dizer que a resistência a segunda pré-imagem situa-se em algum ponto entre as outras duas propriedades. Um ataque de segunda pré-imagem ocorre quando alguém consegue encontrar uma entrada específica que gera a mesma saída que outra entrada já conhecida.

Em outras palavras, um ataque de segunda pré-imagem implica encontrar uma colisão, mas em vez de procurar duas entradas aleatórias que gerem o mesmo hash, o atacante procura uma entrada que gere o mesmo hash produzido por outra entrada específica.

Portanto, qualquer função hash resistente a colisões também é resistente a ataques de segunda pré-imagem, uma vez que estes sempre implicarão uma colisão. No entanto, ainda é possível realizar um ataque de pré-imagem em uma função resistente a colisões, uma vez que isso implica encontrar uma única entrada a partir de uma única saída.

Mineração e hashing em criptomoedas

Há muitos passos na mineração de Bitcoin que envolvem funções hash, como verificação de saldos, vinculação de entradas e saídas de transações, e hash de transações dentro de um bloco para formar uma árvore Merkle. Mas uma das principais razões pelas quais a blockchain de Bitcoin é segura é o fato de que os mineradores precisam realizar incontáveis operações de hashing para eventualmente encontrar uma solução válida para o próximo bloco.

Especificamente, um minerador deve tentar várias entradas diferentes ao criar um valor hash para o seu bloco candidato. Em essência, só poderá validar o seu bloco se gerar um hash de saída que comece com um certo número de zeros. O número de zeros é o que determina a dificuldade de mineração e varia consoante a taxa de hash dedicada à rede.

Neste caso, a taxa de hash representa quanta potência computacional está sendo investida na mineração de Bitcoin. Se a taxa de hash da rede aumentar, o protocolo Bitcoin ajustará automaticamente a dificuldade de mineração para que o tempo médio necessário para minerar um bloco permaneça próximo de 10 minutos. Por outro lado, se vários mineradores decidirem parar de minerar, fazendo com que a taxa de hash caia significativamente, a dificuldade de mineração será ajustada, facilitando a mineração ( até que o tempo médio de bloco volte a 10 minutos ).

Os mineradores não precisam encontrar colisões porque há vários hashes que podem gerar como saída válida ( começando com certo número de zeros ). Portanto, existem várias soluções possíveis para um bloco determinado, e os mineradores só precisam encontrar uma delas, de acordo com o limite determinado pela dificuldade de mineração.

Como a mineração de Bitcoin é uma tarefa dispendiosa em termos energéticos e de equipamento, os mineiros não têm motivos para enganar o sistema, uma vez que isso levaria a perdas financeiras significativas. Quanto mais mineiros aderem a uma blockchain, maior e mais forte ela se torna.

Aplicações práticas do hashing no mundo cripto

A hash tem numerosas aplicações práticas no ecossistema de criptomoedas e nas plataformas de trading:

• Verificação de transações: Cada transação em uma blockchain recebe um hash único que serve como identificador e permite verificar que a transação não foi alterada.

• Geração de endereços: Os endereços de criptomoedas são gerados aplicando funções hash às chaves públicas, aumentando a segurança e reduzindo o tamanho dos endereços.

• Armazenamento seguro de senhas: As plataformas de trading utilizam funções hash para armazenar as senhas dos seus usuários de forma segura, guardando apenas os hashes em vez das senhas originais.

• Prova de Trabalho: Este mecanismo de consenso, utilizado pelo Bitcoin e outras criptomoedas, baseia-se fundamentalmente na propriedade de unidirecionalidade das funções hash.

• Integridade dos dados: As plataformas utilizam hashes para verificar se os arquivos ou dados transferidos não foram modificados durante a transmissão.

Conclusão

As funções hash são ferramentas essenciais na ciência da computação, especialmente quando se trata de grandes quantidades de dados. Quando combinadas com criptografia, os algoritmos hash podem ser bastante versáteis, oferecendo segurança e autenticação de muitas maneiras diferentes. Como tais, as funções hash criptográficas são vitais para quase todas as redes de criptomoedas e plataformas de trading, por isso compreender suas propriedades e mecanismos de funcionamento é certamente útil para qualquer pessoa interessada na tecnologia blockchain ou no trading de ativos digitais.

Num mundo cada vez mais digital, onde a segurança dos dados e das transações é primordial, as funções hash continuam a ser um dos pilares fundamentais que sustentam a confiança nos sistemas criptográficos modernos.