[Из песочницы] Что такое Хэширование? Под капотом блокчейна
Очень многие из вас, наверное, уже слышали о технологии блокчейн, однако важно знать о принципе работы хэширования в этой системе. Технология Блокчейн является одним из самых инновационных открытий прошлого века. Мы можем так заявить без преувеличения, так как наблюдаем за влиянием, которое оно оказало на протяжении последних нескольких лет, и влиянием, которое оно будет иметь в будущем. Для того чтобы понять устройство и предназначение самой технологии блокчейн, сначала мы должны понять один из основных принципов создания блокчейна.
Так что же такое хэширование?
Простыми словами, хэширование означает ввод информации любой длинны и размера в исходной строке и выдачу результата фиксированной длины заданной алгоритмом функции хэширования. В контексте криптовалют, таких как Биткоин, транзакции после хэширования на выходе выглядят как набор символов определённой алгоритмом длины (Биткоин использует SHA-256).
Input- вводимые данные, hash- хэш
Посмотрим, как работает процесс хэширования. Мы собираемся внести определенные данные. Для этого, мы будем использовать SHA-256 (безопасный алгоритм хэширования из семейства SHA-2, размером 256 бит).
Как видите, в случае SHA-256, независимо от того, насколько объёмные ваши вводимые данные (input), вывод всегда будет иметь фиксированную 256-битную длину. Это крайне необходимо, когда вы имеете дело с огромным количеством данных и транзакций. Таким образом, вместо того, чтобы помнить вводимые данные, которые могут быть огромными, вы можете просто запомнить хэш и отслеживать его. Прежде чем продолжать, необходимо познакомиться с различными свойствами функций хэширования и тем, как они реализуются в блокчейн.
Криптографические хэш-функции
Криптографическая хэш-функция — это специальный класс хэш-функций, который имеет различные свойства, необходимые для криптографии. Существуют определенные свойства, которые должна иметь криптографическая хэш-функция, чтобы считаться безопасной. Давайте разберемся с ними по очереди.
Свойство 1: Детерминированние
Это означает, что независимо от того, сколько раз вы анализируете определенный вход через хэш-функцию, вы всегда получите тот же результат. Это важно, потому что если вы будете получать разные хэши каждый раз, будет невозможно отслеживать ввод.
Свойство 2: Быстрое вычисление
Хэш-функция должна быть способна быстро возвращать хэш-вход. Если процесс не достаточно быстрый, система просто не будет эффективна.
Свойство 3: Сложность обратного вычисления
Сложность обратного вычисления означает, что с учетом H (A) невозможно определить A, где A — вводимые данные и H (А) — хэш. Обратите внимание на использование слова «невозможно» вместо слова «неосуществимо». Мы уже знаем, что определить исходные данные по их хэш-значению можно. Возьмем пример.
Предположим, вы играете в кости, а итоговое число — это хэш числа, которое появляется из кости. Как вы сможете определить, что такое исходный номер? Просто все, что вам нужно сделать, — это найти хэши всех чисел от 1 до 6 и сравнить. Поскольку хэш-функции детерминированы, хэш конкретного номера всегда будет одним и тем же, поэтому вы можете просто сравнить хэши и узнать исходный номер.
Но это работает только тогда, когда данный объем данных очень мал. Что происходит, когда у вас есть огромный объем данных? Предположим, вы имеете дело с 128-битным хэшем. Единственный метод, с помощью которого вы должны найти исходные данные, — это метод «грубой силы». Метод «грубой силы» означает, что вам нужно выбрать случайный ввод, хэшировать его, а затем сравнить результат с исследуемым хэшем и повторить, пока не найдете совпадение.
Итак, что произойдет, если вы используете этот метод?
- Лучший сценарий: вы получаете свой ответ при первой же попытке. Вы действительно должны быть самым счастливым человеком в мире, чтобы это произошло. Вероятность такого события ничтожна.
- Худший сценарий: вы получаете ответ после 2 ^ 128 — 1 раз. Это означает, что вы найдете свой ответ в конце всех вычислений данных (один шанс из 340282366920938463463374607431768211456)
- Средний сценарий: вы найдете его где-то посередине, поэтому в основном после 2 ^ 128/2 = 2 ^ 127 попыток. Иными словами, это огромное количество.
Таким образом, можно пробить функцию обратного вычисления с помощью метода «грубой силы», но потребуется очень много времени и вычислительных ресурсов, поэтому это бесполезно.
Свойство 4: Небольшие изменения в вводимых данных изменяют хэш
Даже если вы внесете небольшие изменения в исходные данные, изменения, которые будут отражены в хэше, будут огромными. Давайте проверим с помощью SHA-256:
Видите? Даже если вы только что изменили регистр первой буквы, обратите внимание, насколько это повлияло на выходной хэш. Это необходимая функция, так как свойство хэширования приводит к одному из основных качеств блокчейна — его неизменности (подробнее об этом позже).
Свойство 5: Коллизионная устойчивость
Учитывая два разных типа исходных данных A и B, где H (A) и H (B) являются их соответствующими хэшами, для H (A) не может быть равен H (B). Это означает, что, по большей части, каждый вход будет иметь свой собственный уникальный хэш. Почему мы сказали «по большей части»? Давайте поговорим об интересной концепции под названием «Парадокс дня рождения».
Что такое парадокс дня рождения?
Если вы случайно встречаете незнакомца на улице, шанс, что у вас совпадут даты дней рождений, очень мал. Фактически, если предположить, что все дни года имеют такую же вероятность дня рождения, шансы другого человека, разделяющего ваш день рождения, составляют 1/365 или 0,27%. Другими словами, он действительно низкий.
Однако, к примеру, если собрать 20–30 человек в одной комнате, шансы двух людей, разделяющих тот же день, резко вырастает. На самом деле, шанс для 2 человек 50–50, разделяющих тот же день рождения при таком раскладе.
Как это применяется в хэшировании?
Предположим, у вас есть 128-битный хэш, который имеет 2 ^ 128 различных вероятностей. Используя парадокс дня рождения, у вас есть 50% шанс разбить коллизионную устойчивость sqrt (2 ^ 128) = 2 ^ 64.
Как вы заметили, намного легче разрушить коллизионную устойчивость, нежели найти обратное вычисление хэша. Для этого обычно требуется много времени. Итак, если вы используете такую функцию, как SHA-256, можно с уверенностью предположить, что если H (A) = H (B), то A = B.
Свойство 6: Головоломка
Свойства Головоломки имеет сильнейшее воздействие на темы касающиеся криптовалют (об этом позже, когда мы углубимся в крипто схемы). Сначала давайте определим свойство, после чего мы подробно рассмотрим каждый термин.
Для каждого выхода «Y», если k выбран из распределения с высокой мин-энтропией, невозможно найти вводные данные x такие, что H (k | x) = Y.
Вероятно, это, выше вашего понимания! Но все в порядке, давайте теперь разберемся с этим определением.
В чем смысл «высокой мин-энтропии»?
Это означает, что распределение, из которого выбрано значение, рассредоточено так, что мы выбираем случайное значение, имеющее незначительную вероятность. В принципе, если вам сказали выбрать число от 1 до 5, это низкое распределение мин-энтропии. Однако, если бы вы выбрали число от 1 до бесконечности, это — высокое распределение мин-энтропии.
Что значит «к|х»?
»|» обозначает конкатенацию. Конкатенация означает объединение двух строк. Например. Если бы я объединила «голубое» и «небо», то результатом было бы «голубоенебо».
Итак, давайте вернемся к определению.
Предположим, у вас есть выходное значение «Y». Если вы выбираете случайное значение «К», невозможно найти значение X, такое, что хэш конкатенации из K и X, выдаст в результате Y.
Еще раз обратите внимание на слово «невозможно», но не исключено, потому что люди занимаются этим постоянно. На самом деле весь процесс майнинга работает на этом (подробнее позже).
Примеры криптографических хэш-функций:
- MD 5: Он производит 128-битный хэш. Коллизионная устойчивость была взломана после ~2^21 хэша.
- SHA 1: создает 160-битный хэш. Коллизионная устойчивость была взломана после ~2^61 хэша.
- SHA 256: создает 256-битный хэш. В настоящее время используется в Биткоине.
- Keccak-256: Создает 256-битный хэш и в настоящее время используется Эфириуме.
Хэширование и структуры данных.
Структура данных — это специализированный способ хранения данных. Если вы хотите понять, как работает система «блокчейн», то есть два основных свойства структуры данных, которые могут помочь вам в этом:
1. Указатели
2. Связанные списки
Указатели
В программировании указатели — это переменные, в которых хранится адрес другой переменной, независимо от используемого языка программирования.
Например, запись int a = 10 означает, что существует некая переменная «a», хранящая в себе целочисленное значение равное 10. Так выглядит стандартная переменная.
Однако, вместо сохранения значений, указатели хранят в себе адреса других переменных. Именно поэтому они и получили свое название, потому как буквально указывают на расположение других переменных.
Связанные списки
Связанный список является одним из наиболее важных элементов в структурах данных. Структура связанного списка выглядит следующим образом:
*Head — заголовок; Data — данные; Pointer — указатель; Record — запись; Null — ноль
Это последовательность блоков, каждый из которых содержит данные, связанные со следующим с помощью указателя. Переменная указателя в данном случае содержит адрес следующего узла, благодаря чему выполняется соединение. Как показано на схеме, последний узел отмечен нулевым указателем, что означает, что он не имеет значения.
Важно отметить, что указатель внутри каждого блока содержит адрес предыдущего. Так формируется цепочка. Возникает вопрос, что это значит для первого блока в списке и где находится его указатель?
Первый блок называется «блоком генезиса», а его указатель находится в самой системе. Выглядит это следующим образом:
*H () — Хэшированные указатели изображаются таким образом
Если вам интересно, что означает «хэш-указатель», то мы с радостью поясним.
Как вы уже поняли, именно на этом основана структура блокчейна. Цепочка блоков представляет собой связанный список. Рассмотрим, как устроена структура блокчейна:
* Hash of previous block header — хэш предыдущего заголовка блока; Merkle Root — Корень Меркла; Transactions — транзакции; Simplified Bitcoin Blockchain — Упрощенный блокчейн Биткоина.
Блокчейн представляет собой связанный список, содержащий данные, а так же указатель хэширования, указывающий на предыдущий блок, создавая таким образов связную цепочку. Что такое хэш-указатель? Он похож на обычный указатель, но вместо того, чтобы просто содержать адрес предыдущего блока, он также содержит хэш данных, находящихся внутри предыдущего блока. Именно эта небольшая настройка делает блокчейн настолько надежным. Представим на секунду, что хакер атакует блок 3 и пытается изменить данные. Из-за свойств хэш-функций даже небольшое изменение в данных сильно изменит хэш. Это означает, что любые незначительные изменения, произведенные в блоке 3, изменят хэш, хранящийся в блоке 2, что, в свою очередь, изменит данные и хэш блока 2, а это приведет к изменениям в блоке 1 и так далее. Цепочка будет полностью изменена, а это невозможно. Но как же выглядит заголовок блока?
* Prev_Hash — предыдущий хэш; Tx — транзакция; Tx_Root — корень транзакции; Timestamp — временная отметка; Nonce — уникальный символ.
Заголовок блока состоит из следующих компонентов:
· Версия: номер версии блока
· Время: текущая временная метка
· Текущая сложная цель (См. ниже)
· Хэш предыдущего блока
· Уникальный символ (См. ниже)
· Хэш корня Меркла
Прямо сейчас, давайте сосредоточимся на том, что из себя представляет хэш корня Меркла. Но до этого нам необходимо разобраться с понятием Дерева Меркла.
Что такое Дерево Меркла?
Источник: Wikipedia
На приведенной выше диаграмме показано, как выглядит дерево Меркла. В дереве Меркла каждый нелистовой узел является хэшем значений их дочерних узлов.
Листовой узел: Листовые узлы являются узлами в самом нижнем ярусе дерева. Поэтому, следуя приведенной выше схеме, листовыми будут считаться узлы L1, L2, L3 и L4.
Дочерние узлы: Для узла все узлы, находящиеся ниже его уровня и которые входят в него, являются его дочерними узлами. На диаграмме узлы с надписью «Hash 0–0» и «Hash 0–1» являются дочерними узлами узла с надписью «Hash 0».
Корневой узел: единственный узел, находящийся на самом высоком уровне, с надписью «Top Hash» является корневым.
Так какое же отношение Дерево Меркла имеет к блокчейну?
Каждый блок содержит большое количество транзакций. Будет очень неэффективно хранить все данные внутри каждого блока в виде серии. Это сделает поиск какой-либо конкретной операции крайне громоздким и займет много времени. Но время, необходимое для выяснения, на принадлежность конкретной транзакции к этому блоку или нет, значительно сокращается, если Вы используете дерево Меркла.
Давайте посмотрим на пример на следующем Хэш-дереве:
Изображение предоставлено проектом: Coursera
Теперь предположим, я хочу узнать, принадлежат ли эти данные блоку или нет:
Вместо того, чтобы проходить через сложный процесс просматривания каждого отдельного процесса хэша, а также видеть принадлежит ли он данным или нет, я просто могу отследить след хэша, ведущий к данным:
Это значительно сокращает время.
Хэширование в майнинге: крипто-головоломки.
Когда мы говорим «майнинг», в основном, это означает поиск нового блока, который будет добавлен в блокчейн. Майнеры всего мира постоянно работают над тем, чтобы убедиться, что цепочка продолжает расти. Раньше людям было проще работать, используя для майнинга лишь свои ноутбуки, но со временем они начали формировать «пулы», объединяя при этом мощность компьютеров и майнеров, что может стать проблемой. Существуют ограничения для каждой криптовалюты, например, для биткоина они составляют 21 миллион. Между созданием каждого блока должен быть определенный временной интервал заданный протоколом. Для биткоина время между созданием блока занимает всего 10 минут. Если бы блокам было разрешено создаваться быстрее, это привело бы к:
- Большому количеству коллизий: будет создано больше хэш-функций, которые неизбежно вызовут больше коллизий.
- Большому количеству брошенных блоков: Если много майнеров пойдут впереди протокола, они будут одновременно хаотично создавать новые блоки без сохранения целостности основной цепочки, что приведет к «осиротевшим» блокам.
Таким образом, чтобы ограничить создание блоков, устанавливается определенный уровень сложности. Майнинг чем-то напоминает игру: решаешь задачу — получаешь награду. Усиление сложности делает решение задачи намного сложнее и, следовательно, на нее затрачивается большее количество времени.WRT, которая начинается с множества нулей. При увеличении уровня сложности, увеличивается количество нулей. Уровень сложности изменяется после каждого 2016-го блока.
Процесс Майнинга
Примечание: в этом разделе мы будем говорить о выработке биткоинов.
Когда протокол Биткоина хочет добавить новый блок в цепочку, майнинг — это процедура, которой он следует. Всякий раз, когда появляется новый блок, все их содержимое сначала хэшируется. Если подобранный хэш больше или равен, установленному протоколом уровню сложности, он добавляется в блокчейн, а все в сообществе признают новый блок.
Однако, это не так просто. Вам должно очень повезти, чтобы получить новый блок таким образом. Так как, именно здесь присваивается уникальный символ. Уникальный символ (nonce) — это одноразовый код, который объединен с хэшем блока. Затем эта строка вновь меняется и сравнивается с уровнем сложности. Если она соответствует уровню сложности, то случайный код изменяется. Это повторяется миллион раз до тех пор, пока требования не будут наконец выполнены. Когда же это происходит, то блок добавляется в цепочку блоков.
Подводя итоги:
• Выполняется хэш содержимого нового блока.
• К хэшу добавляется nonce (специальный символ).
• Новая строка снова хэшируется.
• Конечный хэш сравнивается с уровнем сложности, чтобы проверить меньше он его или нет
• Если нет, то nonce изменяется, и процесс повторяется снова.
• Если да, то блок добавляется в цепочку, а общедоступная книга (блокчейн) обновляется и сообщает нодам о присоединении нового блока.
• Майнеры, ответственные за данный процесс, награждаются биткоинами.
Помните номер свойства 6 хэш-функций? Удобство использования задачи?
Для каждого выхода «Y», если k выбран из распределения с высокой мин-энтропией, невозможно найти вход x таким образом, H (k | x) = Y.
Так что, когда дело доходит до майнинга биткоинов:
• К = Уникальный символ
• x = хэш блока
• Y = цель проблемы
Весь процесс абсолютно случайный, основанный на генерации случайных чисел, следующий протоколу Proof Of Work и означающий:
- Решение задач должно быть сложным.
- Однако проверка ответа должна быть простой для всех. Это делается для того, чтобы убедиться, что для решения проблемы не использовались недозволенные методы.
Что такое скорость хэширования?
Скорость хэширования в основном означает, насколько быстро эти операции хэширования происходят во время майнинга. Высокий уровень хэширования означает, что в процессе майнинга участвуют всё большее количество людей и майнеров, и в результате система функционирует нормально. Если скорость хэширования слишком высокая, уровень сложности пропорционально увеличивается. Если скорость хэша слишком медленная, то соответственно, уровень сложности уменьшается.
Вывод
Хэширование действительно является основополагающим в создании технологии блокчейн. Если кто-то хочет понять, что такое блокчейн, он должен начать с того, чтобы понять, что означает хэширование.
