Хэширование данных (Data hashing)

Хеширование – это инструмент для обеспечения безопасности, который преобразовывает данные в зашифрованную строку. Также он применяется и для других задач, которые могут быть частично связаны с шифрованием.

Хеширование предполагает преобразование массива входных данных произвольной длины в выходную битовую строку установленной длины. В таком процессе генерации применяется набор методов хеширования с использованием математических формул (хеш-функций).

Существует несколько алгоритмов хеширования, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. В целом, идеальный процесс преобразования возможен только в теории, но это не значит, что к нему не нужно стремиться.

Чтобы блокчейны и аналогичные системы, осуществляющие транзакции, могли сохранять целостность и надежную защиту данных, используются криптографические хеши. Следует заметить, что не каждый хеш-алгоритм применяет средства криптографии, а только криптографическая хеш-функция.

При этом все хеш-процессы, защищенные криптографическими средствами, дают одинаковый результат при выводе данных, если входные остаются прежними. Данное свойство называется детерменированностью хеш-функции.

У алгоритмов хеширования биткоинов и других видов цифровой валюты есть уникальная особенность. Полученные строки с информацией нельзя вернуть назад в том же направлении, если только не потратить на это очень большое количество времени и ресурсов. Это связано с тем, что процессы, которые выполняются на криптовалютных платформах, осуществляются только в одностороннем порядке.

То есть, при транзакции, например, вывод изначальных данных производится достаточно быстро. Но получить их назад в обратной последовательности будет крайне трудно. Надежность хеш-функции определяется сложностью поиска изначальных строк.

I. Схема работы хеширования

Посмотрим, как это работает на примере хеш-функции SHA-1, которая очень популярна при выборе защиты с помощью хеш (как и SHA-2 и MD5). Обратимся для этого к любому сервису, бесплатно предоставляющему услугу онлайн-хеширования. Предположим, у нас есть значение «Иван», которое нужно преобразовать в цифровой код. Результат всегда будет таким: «4D2902EB21DDE2404DE35677284A7DD4B44756D7». Но если допустить ошибку даже в написании одной буквы или поставить имя в другой падеж, весь код (а не его последняя часть) будет выглядеть совершенно по-другому.

Убедимся в этом и поставим слово в дательный падеж. Входные данные: «Ивану». Хеш-код: «4D13F6131C770A220BBF1BD34E3698D99DDD0CCB». Как мы видим, итоговый результат не имеет ничего общего с предыдущим, хотя к имени была добавлена лишь одна буква. Заметим и другую важную особенность: если в информации, которую необходимо зашифровать, заглавную букву поменять на строчную, вы тоже получите абсолютно новый цифровой ключ. Входные данные: «иван». Хеш-код: «ACAB2D9993D6893A442754E35781025B66A5B486».

Единственное, что объединяет результаты выше, это одинаковая длина строки при выводе — 40 символов. Можно подумать, что такой объем определило количество букв у входных данных: в имени Иван их 5. На самом деле, даже если массив будет состоять из всего текста с этой страницы, длина строки с результатом получится такой же, взгляните: «DFB13520C775C03211EA5D41E767A0DD2BDF4840».

Сорок символов хеш-кода вы получите и после размещения в исходных данных всех томов произведения Льва Толстого «Война и Мир» (!!!). Следовательно, вне зависимости от количества букв, цифр, знаков препинания и пробелов, алгоритмы сжатия будут выдавать цифровой ключ одинаковой длины. Также важно понимать, что каждому уникальному массиву всегда присваивается уникальный код.

II. Сферы применения хеширования

Помимо шифрования данных на блокчейнах и в различных платежных системах, функция хеширования применяется при составлении хеш-таблицы и декартова дерева.

1. Сравнение информации

Суть процесса заключается в том, что определенные данные проходят проверку на их соответствие оригиналу, причем сам подлинник в этом действии не участвует. При сравнении информации оценивается идентичность хеш-значений.

2. Тестирование на предмет ошибок

Рассмотрим один из способов проверки. Итоговая сумма может передаваться по определенному коммуникационному каналу вместе с остальными данными. В пункте получения контрольная сумма может быть пересчитана, а полученный результат проверен на соответствие оригиналу. Если значения будут отличаться, функция это определит, что может привести к повторному запросу.

Приведем пример. При сложении чисел 2 и 5 образуется число 7. Контрольное значение передано программистом вместе с условиями его получения в компьютерную программу по обучению арифметике. Во время урока ученик решает задачу «5+2=?» за компьютером. Предположим, ребенок дает ответ «8». Хеш-алгоритм проверки определит, что итоговые данные не соответствуют оригиналу. В этом случае софт может предложить ребенку решить пример еще раз.

3. Контроль кодовой фразы

В настоящее время кодовые фразы (например, для авторизации на сайте) хранятся только в виде их хеш-значения. Размещать пароли в первоначальном виде небезопасно, ведь если захешированный файл будет взломан, защитный код станет известен хакеру и может быть использован в преступных целях.

А способ хранения в виде хеш подразумевает, что даже при хакерской атаке мошенники, в худшем случае, узнают только хеш-значение, которые они не смогут вернуть в первоначальное состояние. При аутентификации введенная информация преобразуется в хеш-значение, которое потом сравнивается с оригиналом.

В качестве примера можно привести операционные системы Windows XP и Linux. Пароли для входа в учетную запись хранятся только в виде хеш-значений.

4. Ускорение поиска информации

При заполнении строк в информационной базе есть возможность создавать хеш-код из хранящихся названий, поэтому новые данные можно размещать в разделах, согласно с хеш-кодом. Тогда, чтобы найти нужную информацию, нужно просто преобразовать ее в хеш, после чего станет понятно, в каком разделе она находится. Таким образом сокращается время поиска: он уже будет осуществляться не по всем разделам, а только по тому, который соответствует хеш-коду искомой информации.

Пример. У вас на компьютере есть каталог с различной продукцией. Она отсортирована по алфавиту. Первая буква каждого товара будет ее хеш-кодом. Для того чтобы быстро найти нужный продукт, вам не нужно искать его по всему каталогу — достаточно ввести первую букву наименования.

III. Свойства и требования к криптографическому хешированию

+ Безвозвратность. Все попытки извлечь входные данные после хеширования обречены на провал, поскольку большая часть информации теряется в процессе преобразования в код (в отличие от обычного шифрования).

+ Предопределенность. При вводе одной и той же информации для выполнения хеш-функции полученное значение всегда будет одинаковым. Это дает возможность проверять подлинность имеющихся данных с помощью хеш.

+ Уникальность. Потенциально хеш-функция может всегда возвращать уникальный код. Но пока это не реализовано на практике, и изредка случаются «дубли» — одно и то же значение для разных данных. Тем не менее качество хеш сокращает риск образования копий до минимума.

+ Многообразие. Даже при незначительном отличии двух отдельных данных (например, прописная и заглавная буквы) результатом будут два абсолютно разных кода.

+ Большая скорость преобразования. Она характерна для всех хеш-функций: по сравнению со стандартным шифрованием файлов, хеширование генерирует значения гораздо быстрее, вне зависимости от объема исходных данных.

Задача каждой хеш-функции заключается в защите пользователей от кражи личной информации. Авторизация в личных кабинетах и сверка введенных слов с оригиналом необходимы для сохранения конфиденциальности данных, которые в обычном виде уязвимы перед кибератаками. Поэтому эксперты рекомендуют пользоваться именно хешами, ведь они очень эффективны при хранении паролей и любых других данных.

В потенциале криптографическая хеш-функция может соответствовать всем указанным качествам. В настоящее время методы хеш не всегда отвечают всем требованиям, поэтому каждый разработчик таких программ должен стремиться к стопроцентному результату.

+ Устойчивость к коллизиям

Термин «коллизия» в рамках сферы информационных систем означает образование одинаковых хеш-кодов у двух разных входных данных. Это явление создает риск, что мошенник подменит реальную информацию на фальшивую.

Разумеется, следует избегать появления таких копий. Но пока, к сожалению, изредка могут случаться ошибки при хешированиии, которые приводят к появлению «дублей». Тем не менее вероятность, что хакер найдет коллизию, крайне мала, так как для этого ему могут потребоваться многие годы.

+ Защита от восстановления информации

В какой-то мере это означает ту же безвозвратность. Теоретически, для установления исходных данных помимо обратной функции можно воспользоваться методом подбора. А полная защита от восстановления означает, что даже при попытках в течение длительного времени узнать первичные данные у злоумышленника все равно нет шансов на успех.

+ Стойкость к выявлению 1-го и 2-го прообраза

Первый прообраз мог бы стать ключом для поиска обратной функции. Но отследить его не получится, так как криптографическая хеш-функция не оставляет следов. Второй прообраз очень похож на поиск коллизии. Он отличается лишь тем, что перед поиском второго прообраза хакеру известны и хеш-код, и оригинал, а при попытке найти копию он знает только код. Следовательно, хеш-функция не защищена от намерения обнаружить второй прообраз, поскольку знание исходника дает возможность изменить его.

V. Будущее хеширования

Изучая тему, может сложиться впечатление, что для обеспечения безопасности мы или просто:

+ делаем хеширование более сложным процессом,

+ растягиваем длину значений на выходе, полагаясь на то, что компьютеры хакеров не обладают необходимой скоростью вычислений для поиска коллизии.

И действительно, сегодня защита информационных сетей основана на двусмысленности предварительных прообразов однонаправленных процессов. Защита алгоритмов хеш-функций состоит в создании трудностей тем, кто захочет найти два кода, отправленные к одному и тому же выводу, невзирая на бесчисленное количество несовпадений при поиске.

Смогут ли хеш-функции обеспечивать безопасность информации после распространения квантовых компьютеров? Исследуя данный вопрос, эксперты пришли к мнению, что процессы преобразования данных в хеш успешно пройдут испытание против квантовых методов взлома. Конечно, последние будут довольно эффективными, чтобы обходить разного рода защиты. Кибератаки нового уровня будут гораздо быстрее, а их алгоритмы станут использовать более сложные математические приемы.

Современные структуры хеш-функций не обладают ярко выраженными формами. А преимущество квантового компьютера заключается именно в скорости обнаружения неструктурированной информации. Только вот попытки взлома будут такими же однонаправленными, как и сегодня.

Вне зависимости от того, какие методы мы выбираем для защиты личной и корпоративной информации, очевидно, что цивилизация успешно развивается в сторону будущего, основанного на эффективности вычислительных процессов. И методы хеширования — это одно из важных достижений на этом пути.

Источник: vk.com

Комментарии: