Les hashes : Éléments fondamentaux dans les jetons

Le processus de hash implique de générer une sortie de taille constante à partir d'une entrée variable. Cela se fait à l'aide d'une formule mathématique appelée fonction hash, mise en œuvre sous la forme d'un algorithme.

Bien que toutes les fonctions hash ne soient pas liées à la cryptographie, les fonctions hash cryptographiques sont essentielles dans le monde des cryptomonnaies. Grâce à elles, les blockchain et d'autres systèmes distribués peuvent atteindre des niveaux élevés d'intégrité et de sécurité des données.

Les fonctions hash conventionnelles et cryptographiques partagent une caractéristique clé : elles sont déterministes. Cela signifie que tant que l'entrée ne change pas, l'algorithme de hash produira toujours la même sortie ( également connue sous le nom de digest ou hash).

En particulier, l'algorithme hash utilisé dans les cryptomonnaies est conçu comme une fonction unidirectionnelle, ce qui implique qu'il est pratiquement impossible de le renverser sans une quantité massive de temps et de ressources informatiques. En d'autres termes, il est simple d'obtenir des résultats à partir d'entrées, mais extrêmement complexe de faire le contraire. En général, plus il est difficile de déduire l'entrée, plus l'algorithme hash sera sécurisé.

Fonctionnement de la fonction hash

Différentes fonctions hash produisent des résultats de tailles différentes, mais la taille de sortie de chaque algorithme hash est toujours constante. Par exemple, l'algorithme SHA-256 générera toujours une sortie de 256 bits, tandis que SHA-1 produira invariablement un digest de 160 bits.

Pour illustrer cela, appliquons l'algorithme hash SHA-256 ( utilisé dans Bitcoin ) aux mots "Gate" et "Gate".

SHA-256

Entrée

Output (256 bits)

Gate

9e14f90f0831e9d9c9f4f90df9e9f90c9f4f90df9e9f90c9f4f90df9e9f90c9

Gate

1e9d9c9f4f90df9e9f90c9f4f90df9e9f90c9f4f90df9e9f90c9f4f90df9e9f

Observez comment de petites variations ( comme le changement de majuscule à minuscule ) entraînent des valeurs hash complètement différentes. Cependant, en utilisant SHA-256, la sortie aura toujours une taille fixe de 256 bits ( ou 64 caractères ), peu importe la taille de l'entrée. De plus, peu importe combien de fois nous traitons ces deux mots avec l'algorithme, les deux sorties resteront constantes.

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

SHA-1

Entrée

Output (160 bits)

Gate

c9f4f90df9e9f90c9f4f90df9e9f90c9f4f90df

Gate

f90df9e9f90c9f4f90df9e9f90c9f4f90df9e9

Les initiales SHA signifient Secure Hash Algorithms, faisant référence à un ensemble de fonctions de hachage cryptographiques qui incluent les algorithmes SHA-0 et SHA-1, ainsi que les groupes SHA-2 et SHA-3. SHA-256 appartient au groupe SHA-2, avec SHA-512 et d'autres variantes. Actuellement, seuls les groupes SHA-2 et SHA-3 sont considérés comme sûrs.

Pertinence des fonctions hash

Les fonctions hash conventionnelles ont un large éventail d'applications, y compris les recherches dans les bases de données, l'analyse de big data et la gestion de l'information. En revanche, les fonctions hash cryptographiques sont largement utilisées dans les applications de sécurité de l'information, telles que l'authentification des messages et la génération d'empreintes digitales. Dans le contexte de Bitcoin, les fonctions hash cryptographiques sont fondamentales dans le processus de minage et contribuent à la génération de nouvelles adresses et clés.

Le véritable potentiel du hashing se manifeste lorsqu'il s'agit de gérer de grands volumes d'informations. Par exemple, il est possible de traiter un fichier volumineux ou un ensemble de données à travers une fonction hash et d'utiliser la sortie pour vérifier rapidement l'exactitude et l'intégrité des données. Cela est réalisable en raison de la nature déterministe des fonctions hash : l'entrée produit toujours une sortie simple et concise (hash). Des techniques comme celle-ci éliminent la nécessité de stocker et de "se souvenir" de grandes quantités d'informations.

En particulier, le hashage est extrêmement utile dans la technologie blockchain. La chaîne de blocs de Bitcoin implique plusieurs processus qui utilisent le hashage, principalement dans le processus de minage. En fait, pratiquement tous les protocoles de cryptomonnaies sont basés sur le hashage pour regrouper les transactions en blocs et générer des liens cryptographiques entre des blocs individuels, créant ainsi efficacement une chaîne de blocs.

Fonctions de hachage cryptographiques

Une fonction hash qui implémente des techniques cryptographiques est définie comme une fonction hash cryptographique. En général, briser une fonction hash cryptographique nécessite un effort considérable de force brute. Si quelqu'un essaie de "revenir en arrière" d'une fonction hash cryptographique, il doit deviner l'entrée par essais et erreurs jusqu'à obtenir la sortie correcte. Cependant, il est également possible que différentes entrées produisent exactement la même sortie, ce qui est connu sous le nom de "collision".

Techniquement, une fonction hash cryptographique doit satisfaire trois propriétés pour être considérée comme sûre et efficace. Nous pouvons les décrire comme la résistance aux collisions, la résistance à la préimage et la résistance à la seconde préimage.

Résumons cette logique en trois phrases concises :

• Résistance aux collisions : Il est difficile de trouver deux entrées différentes qui produisent le même hash en sortie.

• Résistance à la préimage : Il est difficile de "renverser" une fonction hash ( pour déduire l'entrée à partir de la sortie disponible ).

• Résistance à la seconde préimage : Il est difficile de trouver une seconde entrée qui entre en collision avec une entrée spécifique.

Résistance aux collisions

Une collision se produit lorsque différentes entrées produisent le même hash. Par conséquent, une fonction hash est considérée comme résistante aux collisions jusqu'à ce qu'une collision se produise. Il convient de noter que ces collisions existeront toujours pour toute fonction hash, car les entrées possibles sont infinies, tandis que les sorties possibles sont limitées.

En d'autres termes, on dit qu'une fonction hash est résistante aux collisions lorsque la probabilité de trouver une collision est extrêmement faible, nécessitant des millions d'années de calcul. Ainsi, bien qu'il n'existe pas de fonctions hash exemptes de collisions, certaines sont très puissantes et peuvent être considérées comme robustes (exemple : SHA-256).

Parmi les différents algorithmes SHA, les groupes SHA-0 et SHA-1 ne sont plus considérés comme sûrs, car des collisions ont été découvertes. Actuellement, les groupes SHA-2 et SHA-3 sont considérés comme résistants aux collisions.

Résistance à la préimage

La propriété de résistance à la préimage est liée au concept de fonctions unidirectionnelles. On considère qu'une fonction hash est résistante à la préimage lorsque la probabilité qu'une personne trouve une entrée qui aboutisse à une sortie particulière est très faible.

Il est important de noter que cette propriété diffère de la précédente, car ici l'attaquant essaie de deviner l'entrée en observant la sortie disponible. Une collision, en revanche, se produit lorsqu'une personne trouve deux entrées différentes qui produisent la même sortie, peu importe laquelle est utilisée.

La propriété de résistance à la préimage est très utile pour protéger les données, car un simple hash d'un message peut prouver son authenticité sans révéler l'information. En pratique, de nombreux fournisseurs de services et applications web stockent et utilisent les hashes résultants des mots de passe au lieu des mots de passe en texte clair.

Résistance à la seconde préimage

En résumé, nous pouvons dire que la résistance à la seconde préimage se situe entre les deux propriétés mentionnées précédemment. Une attaque de seconde préimage se produit lorsque quelqu'un parvient à trouver une entrée particulière qui produit la même sortie qu'une autre entrée différente déjà connue.

En d'autres termes, l'attaque de seconde préimage consiste à trouver des collisions, mais au lieu de rechercher deux entrées aléatoires produisant le même hash, on recherche des entrées produisant le même hash généré par une autre entrée spécifique.

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

Minage

Il existe de nombreuses étapes dans le minage de bitcoins qui impliquent des fonctions hash, telles que la vérification des soldes, le lien entre les transactions d'entrée et de sortie, et le hasher des transactions à l'intérieur d'un bloc pour former un arbre de Merkle. Mais l'une des principales raisons pour lesquelles la chaîne de blocs de Bitcoin est sécurisée est le fait que les mineurs doivent effectuer un grand nombre d'opérations de hash pour, en fin de compte, trouver la solution correcte pour le prochain bloc.

Spécifiquement, un mineur doit tester plusieurs entrées différentes lors de la génération de valeurs hash pour ses blocs candidats. Essentiellement, il ne peut valider son bloc que s'il produit un hash de sortie qui commence par un certain nombre de zéros. Le nombre de zéros détermine la difficulté de la minage, et cela varie en fonction du taux de hash spécifique du réseau.

Dans ce contexte, le taux de hash représente la puissance de calcul utilisée pour le minage de Bitcoin. Si le taux de hash du réseau augmente, le protocole Bitcoin ajustera automatiquement la difficulté de minage, de sorte que le temps moyen nécessaire pour miner un bloc reste proche de 10 minutes. En revanche, si certains mineurs décident d'abandonner l'activité, provoquant une diminution drastique du taux de hash, la difficulté de minage sera ajustée, la rendant plus facile ( jusqu'à ce que le temps moyen de bloc revienne à 10 minutes ).

Il est important de comprendre que les mineurs n'ont pas besoin de trouver des collisions, car il existe de nombreux hashes qui peuvent produire comme sortie valide (commençant par un certain nombre de zéros). Par conséquent, il existe plusieurs solutions possibles pour un bloc particulier, et les mineurs n'ont besoin de trouver qu'une solution qui respecte le seuil déterminé par le niveau de difficulté de la minage.

Étant donné que le minage de Bitcoin est une tâche coûteuse, les mineurs n'ont pas d'incitations à tromper le système, ce qui entraînerait des pertes financières significatives. Plus il y a de mineurs qui rejoignent la chaîne de blocs, plus elle deviendra grande et robuste.

Réflexion finale

Il ne fait aucun doute que les fonctions hash sont un outil fondamental en informatique, en particulier lorsqu'il s'agit de grands volumes de données. Lorsqu'elles sont combinées avec la cryptographie, les algorithmes hash peuvent être polyvalents et offrir sécurité et authenticité de diverses manières. Par conséquent, les fonctions hash cryptographiques sont essentielles pour pratiquement tous les réseaux de cryptomonnaies, ce qui rend la compréhension de leurs propriétés et de leur fonctionnement extrêmement utile pour quiconque s'intéresse à la technologie blockchain.