Современное программирование тесно связано с криптографией, в частности, с хеш-функциями. Последние являются крайне распространенным инструментом, применяющимся для реализации самых разных задач, включая защиту информации, проведение аутентификации и даже обнаружение вредоносного программного обеспечения.
Что такое хеш и хеширование
Хеширование представляет собой процесс преобразования информации при помощи определенных математических методов, функций и формул. Результатом подобных операций становится хеш или уникальная короткая строка. Ее размер может быть одинаковым для разных наборов информации.
Не стоит воспринимать хеш как закодированный набор данных. По сути, это генерируемая индивидуальная метка, закрепленная за определенным массивом информации. Хеш одного слова и хеш целого предложения будут одинаковой длины. При этом если в слове заменить хотя бы один символ, то хеш будет совершенно иным. В нем не останется идентичных последовательностей.
Алгоритм, отвечающий за хеширование данных, называется хеш-функцией. В его основе лежат различные математические принципы. Именно поэтому существует множество различных хеш-функций, которые отличаются друг от друга степенью надежности, способами проведения вычислений и т.д.
В каких сферах применяется хеширование
Чаще всего данной технологией пользуются IT-специалисты, чьи проекты подразумевают работу с конфиденциальными данными. К примеру, в сфере веб-разработки с помощью хешей проверяется правильность паролей. Как правило, они хранятся на сервере в виде хешей. Когда пользователь пытается авторизоваться, введенный пароль хешируется, и полученный результат сравнивается со значением из базы данных.
Также хеширование применяется при работе с данными, имеющими сложную структуру. Это могут быть хеш-таблицы или ассоциативные массивы. Кроме этого, хеширование распространено в области криптовалюты. Здесь с его помощью проверяется подлинность данных. В основе блокчейна лежат многие алгоритмы хеширования.
Еще одной сферой применения является информационная безопасность. В этом случае профильные специалисты пользуются хешем для обеспечения конфиденциальности информации. Кроме этого, с его помощью можно вычислять вредоносные файлы и вирусы.
Зачем используют хеширование
Главная задача хеширования – проверять данные. Без этой технологии многие процессы стали бы невероятно трудоемкими и требовали бы гораздо больше ресурсов. Хеш помогает экономить место и защищать наиболее чувствительные данные. С его помощью программы могут сравнивать полученную информацию с ожидаемой, что крайне удобно при выполнении многих процессов.
Вариантов использования хешей масса, вот наиболее востребованные из них:
- в базе данных антивирусных программ хранится не само вредоносное ПО, а его хеш;
- сведения о прошедших криптовалютных транзакциях также хранятся в виде индивидуальной метки;
- в БД сайтов и различных приложений хранятся захешированные версии паролей;
- для идентификации коммитов в системе контроля версий Git используются хеши.
Еще один вариант применения – нахождение дубликатов в рамках объемных массивов. Отдельно стоит упомянуть создание хеш-таблиц, представляющих собой специальные структуры данных. В них за каждым элементом закреплен определенных хеш, выступающий в роли идентификатора.
Принцип действия хеш-функций
Хеш можно получить самыми разными способами, например, с помощью формул, основанных на математических операциях. Каждый алгоритм имеет свой уровень сложности. Если речь идет о защите информации, то используются криптографические функции. Они обладают своими уникальными свойствами, благодаря которым получается обеспечить необходимый уровень безопасности.
Подавляющее большинство криптографических функций работают поэтапно. Вначале исходные данные дробятся на части и передаются в сжимающую функцию. Она сокращает объем поступившей информации. Важно, чтобы результат работы функции было крайне сложно вскрыть.
Если же требуется построить таблицу, можно воспользоваться не криптографическими функциями. Защищать данные в этом случае не нужно, поэтому вычисления могут быть значительно проще.
Свойства криптографических хеш-функций
Криптографические хеш-функции должны обладать рядом свойств. Среди наиболее важных можно отметить:
- уникальность – в идеале функция должна выдавать полностью уникальную последовательность для любых наборов данных. В действительности подобный результат недостижим. В некоторых случаях могут возникать коллизии, и разным сведениям присваиваются идентичные хеши. Но криптографические функции устроены таким образом, что вероятность возникновения подобных ситуаций сведена к минимуму;
- необратимость – поскольку в процессе выполнения функции теряется слишком много информации, полученный хеш нельзя преобразовать обратно в исходные данные;
- разнообразие – когда между двумя наборами данных присутствуют минимальные различия, их хеши все равно будут абсолютно разными. Глядя на такие метки, невозможно представить, что исходная информация была практически идентичной;
- оперативность генерации – этим свойством обладают практически все хеши. Они быстро генерируются даже для объемных массивов данных;
- детерминированность – если передать в функцию два идентичных набора данных, то у обоих совпадает хеш. Благодаря этому свойству хеши стали применяться для проверки достоверности информации.
Требования, предъявляемые к криптографической хеш-функции
Как правило, хеши применяются для обеспечения безопасности персональных данных. Проверять данные на подлинность и проводить операцию идентификации нужно для того, чтобы избежать несанкционированного доступа к важной информации. Именно поэтому специалисты предпочитают использовать хеш-функции. Они крайне устойчивы к различным взломам.
В идеале функция должна полностью соответствовать всем нижеперечисленным требованиям. На практике добиться 100% результата невозможно, поэтому перед разработчиками стоит задача получить максимально возможный результат.
Устойчивость к восстановлению данных
Отчасти это схоже со свойством необратимости, описанным выше. В теории для восстановления информации можно воспользоваться не только обратной функцией, но и попытаться подобрать нужную последовательность. Данное свойство говорит о том, что при попытке сделать это, получить исходный массив все равно не получится.
Этому требованию соответствуют все современные хеш-функции. Сегодня информации столько, что перебор займет бесконечно много времени.
Стойкость к коллизиям
Коллизия представляет собой ситуацию, при которой разные наборы информации получают полностью совпадающий хеш. Это крайне небезопасно, поскольку этим могут воспользоваться злоумышленники, подменив одни данные другими. Разработчики функций стараются свести к минимуму вероятность возникновения подобного явления.
Даже современные криптографические-функции не могут полностью исключить коллизии. Однако разрабатываемые алгоритмы настолько сложные, что процесс нахождения коллизий подразумевает массу сложных вычислений. На это могут уйти годы и даже десятилетия. Целесообразность такого поиска сводится к нулю.
Устойчивость к поиску прообразов
Первый прообраз – это вероятность нахождения обратной функции. Эта задача нереализуема, поскольку криптографические хеш-функции обладают свойством необратимости. Данный пункт имеет много общего с требованиями, предъявляемыми к восстановлению исходной информации.
Под вторым образом понимают приблизительно то же, что и поиск коллизий. Когда говорят про второй прообраз, подразумевают, что злоумышленник знает исходные данные и сам хеш. Если же речь идет про поиск коллизий, то доступен только хеш. Функция будет считаться уязвимой, если она демонстрирует неустойчивость к нахождению второго прообраза. В этом случае для подмены данных злоумышленнику достаточно знать первоначальную информацию.
