Что такое хэш в криптовалюте?

Содержание статьи:

1. Что такое хэш — краткая история
   
2. Хэш в криптовалюте — сущность
   
3. Свойства
   
4. Функции
   
5. Внутреннее строение
   
6. Применение в майнинге
   
7. Где применяется хэш
   
8. Видео о хэш-функциях
   

Хэш в криптовалюте представляет собой использование детерминированной схемы в процессе преобразования входной информации свободной длины в исходящую битную строчку с конкретным размером. Иными словами, хэш — преобразование входящей информации по определённому алгоритму для получения на выходе шифрованной информации (набора символов). К примеру, хэш алгоритма Биткоин (SHA-256) может иметь следующий вид — e58f1e8c55fa105bdd3f40e5038eb0b039b5998d52c05e6cd99878dd2da5cab2.

Полученные хэши можно сравнивать, ведь они могут различаться по составу и размеру. Такая необходимость возникает в процессе добычи виртуальных монет. Смежное понятие (хэшрейт) представляет собой скорость расчета хэшей в процессе получения нового блока в цепи блокчейн. Чем больше этот параметр, тем быстрее оборудование находит необходимое число, тем выше заработок майнера. Наиболее производительным оборудованием считаются асики. К примеру, если ASIC-майнер имеет мощность в 10 ТХ/с, это говорит о его возможности обрабатывать 10 000 000 000 000 хэшей за одну секунду.

Что такое хэш в криптовалюте — краткая история

В математическом смысле хэш-функция представляет собой преобразование данных в короткую строчку, имеющую определенную длину. С ее помощью можно контролировать состояние файлов ОС, важных программ и основной информации. Работа осуществляется по желанию или с определенной периодичностью (в автоматическом режиме).

Термин «хэш» произошел от слова hash на английском языке. Прямой перевод определения означает «путаница». Такая формулировка описывает принцип работы функции, задача которой заключается в изменении входного параметра для получения иного значения на выходе. Аналогичный подход характерен и для термина «хэширование». Источником этого слова является английское определение «hashing», что переводится как «крошение».

Определение появилось в 50-х годах XX века в среде специалистов, занимающихся обработкой больших объемов информации. С помощью хэш-функции специалисты приводили любой массив к строчке с определенным числом символов. Так, если конкретную цифру (вне зависимости от числа знаков) множество раз делить на идентичный числовой параметр, полученный набор символов будет называться хэш. Итоговый результат различается в зависимости от применяемого делителя.

Хэш в криптовалюте — сущность

Простыми словами, хэш в криптовалюте — это процесс преобразования одного набора символов (на входе) в другой. Разница в том, что в первом случае параметр носит свободный характер, а во втором — фиксированную длину. Это пояснение характерно для различных сфер, в том числе криптовалюты. Преобразование происходит на основании определенного алгоритма. К примеру, в Биткоине это SHA-256, в Лайткоине — Scrypt и так далее.

Для рассмотрения принципа работы используем протокол Bitcoin из серии SHA-2 (его размер — 256 бит). Вне зависимости от объема вводимых данных итоговый параметр на выходе всегда имеет определенную величину. Это важно, ведь в случае с криптовалютами речь идет о передаче огромного потока информации и совершении множества транзакций в секунду.

Наличие хэша — возможность упростить запоминание больших массивов информации. Достаточно иметь хэш-функцию для получения необходимых сведений об операции в сети.

Свойства хэша в криптовалюте

Чтобы разобраться, что такое хэш в криптовалюте, важно понимать его свойства. Выделим основные:

1. Стабильность параметра на выходе. При анализе одной и той же информации на входе на выходе получается неизменный итог. Это важно, ведь при получении различных хэшей при каждом действии привязать результат к интересующей информации о транзакции не выйдет.
   
   
2. Скорость расчетов. Преобразование поступающих на вход массивов должно осуществляться с максимальной скоростью. В ином случае применение системы неэффективно.
   
   
3. Трудность обратных расчетов. Процесс преобразования исходных данных в хэш на выходе происходит в одностороннем порядке. Процедура обратного перевода возможна, но она максимально усложнена (это необходимо для защиты сети).
   
   
4. Влияние небольших изменений. Достаточно незначительной правки в исходные параметры, чтобы на выходе появился новый хэш, с другим набором символов. Можно изменить одну букву или даже регистр в строчке на входе, чтобы итоговый результат претерпел значительных изменений. Это важное качество в криптовалюте, обеспечивающее безопасность и неизменность blockchain.
   
   
5. Сложность алгоритма. В процессе создания хэша применяется сложная формула, а именно Y = H (кIх), где Y — выходной параметр, k — число из распределения с большой энтропией, а кIх — конкатенация (объединении двух строчек). Суть в том, что при наличии значения Y трудно подобрать такой параметр Х, чтобы в результате конкатенации кIх получился итоговый хэш.
   
   
6. Коллизионная устойчивость. Для каждого источника на входе характерен индивидуальный хэш. Вероятность получения двух одинаковых чисел на выходе при вводе различной информации на входе возможна. К примеру, для SHA-256 имеет место следующая вероятность — 2^256.
   

Функции хэша в криптовалюте

Хэш-функция обладает следующими функциями:

1. Преобразование информации из свободной в строго определенную длину.
   
   
2. Открытость алгоритма для возможности изучения криптографической устойчивости.
   
   
3. Односторонность, то есть невозможность по конечному результату определить первоначальную информацию.
   
   
4. Минимальные требования к вычислительным мощностям (важно для майнинга).
   
   
5. Способность преобразовывать любой объем сведений (к примеру, двоичных данных) к определенному числу с заданной длиной. Иными словами, происходит сжатие информации при использовании определенного алгоритма.
   
   
6. Минимальна нагрузка оборудования в провесе выполнения операции. От этой функции зависит скорость исполнения. Здесь важно найти компромисс между качеством результата и быстротой решения поставленной задачи.
   

Алгоритм, применяемый в процессе преобразования функции хэш, должен быть открытым. Это позволяет определить устойчивость к обратному преобразованию, то есть получению первичных данных по имеющемуся хэшу.

Внутреннее строение хэша в криптовалюте

Чтобы понять сущность хэша в криптовалюте, что это, и как работает, важно представлять структуру процесса преобразования. Блокчейн представляет собой множество ячеек, в которых хранятся определенные данные. Для понимания структуры blockchain и работы хэша необходимо знать следующие термины:

1. Указатели. В вопросе программирования указатели представляют собой переменные, используемые для хранения адреса переменной (вне зависимости от программы). К примеру, int b =20 свидетельствует о наличии переменой b, хранящей значение, равное двадцати. В указателях содержатся не сами данные, а адреса переменных. Иными словам, они показывают на местонахождение последних.
   
   
2. Связанные элементы. При рассмотрении структуры важно учесть связанные списки — набор элементов цепочки блокчейн, скрепленные друг с другом при помощи указателей. Переменный параметр последнего хранит адрес очередного блока, что позволяет двум элементам цепочки соединиться. Указатель, расположенный в каждом элементе blockchain, хранит адрес прошлого узла, что обеспечивает создание цепи. Первый узел блокчейн представляет собой блок генезиса. Его указатель расположен в криптосистеме.
   

Цепь blockchain представляет собой связанный список с информацией, а также хэш-указатели. Благодаря их наличию, происходит закрепление элементов цепи и контроль валидности операций. Указатель содержит хэш данных, расположенных внутри прошлого блока. Такая особенность обеспечивает максимальную надежность цепочки блокчейн. К примеру, злоумышленник пытается атаковать пятый блок и внести изменения в сведения. Из-за особенностей хэш-функции даже небольшие правки способны изменить итоговый хэш. В результате меняется хэш-функция в предыдущих четырех элементах цепи. Блокчейн корректируется в полном объеме, что невозможно реализовать.

Не меньшее значение имеет заголовок блока, состоящий из таких элементов:

• Номер версии элемента цепи.
  
• Время.
  
• Сложность.
  
• Хэш прошлого узла blockchain.
  
• Nonce.
  
• Хэш корня Меркла.
  

Необходимость наличия хэша корня Меркла объясняется следующим образом. В каждом элементе блокчейн находится большое число транзакций. Если информация хранится в форме серии, это займет много места, а сама цепочка теряет эффективность. Применение дерева Меркла оптимизирует блокчейн и позволяет быстрее получить информацию о транзакции (при наличии такой необходимости).

Применение хэша криптовалюты в майнинге

Суть майнинга подразумевает поиск параметра Nonce для получения нового элемента цепи. После успешного нахождения он добавляется в общую цепочку. При зарождении криптовалюты Биткоин для расчетов применялись обычные ноутбуки или ПК, но с ростом сложности такой способ потерял актуальность. Люди стали применять более мощное оборудование и объединяться в пулы для получения новых блоков.

В случае с Биткоин число монет ограничено 21 миллионом единиц. На создание блока в blockchain уходит определенный промежуток времени. Среднее время на получение нового элемента цепи составляет 10 минут. При ускорении этого процесса повышается сложность, которая поддерживает скорость поиска хэшей и получения блоков на определенном уровне.

Снижение времени добычи блока может привести к следующим проблемам:

1. Создание большого числа одинаковых хэшей и еще большее количество повторений.
   
   
2. Увеличение числа оставленных элементов цепи. Если майнеры начнут спешить, они будут формировать новые блоки без обеспечения целостности цепи. В результате будут оставаться брошенные узлы.
   

Во избежание рассмотренных проблем предусмотрена система сложности, которая повышает требование к вычислительной мощности для поиска необходимого хэша и создания нового блока. Суть проста. При появлении очередного узла цепи его содержимое хэшируется. Если выбранный хэш превышает или равен уровню сложности, он включается в блокчейн, а майнеры получают оплату за блок.

В процессе добычи участники сети ищут символ Nonce, представляющий собой число, объединенное с хэшем. Полученная строчка меняется и сравнивается с текущей сложностью. При несоответствии параметров код меняется.

В целом алгоритм такой:

1. Выполнение хэша нового элемента цепи.
   
   
2. Добавление к хэшу элемента Nonce.
   
   
3. Хэширования полученной строки.
   
   
4. Сравнивание хэша с текущей сложностью (система убеждается — меньше ли он заданного параметра). Если нет, происходит изменение nonce и запуск процесса. В обратной ситуации блок включается в цепь, а blockchain обновляется и информирует ноды о получении нового элемента цепи.
   
   
5. Майнеры, отдавшие свои мощности, получают премию.
   

На октябрь 2018 года решение хэша в Bitcoin требует больших вычислительных мощностей.

Где применяется хэш (в том числе для криптовалюты)?

Функции хэш имеют широкий спектр применения:

1. При контроле целостности пакетов TCP/IP и других протоколов. Если расчетный параметр функции совпадает с переданным пакетом, это свидетельствует об отсутствии потерь и необходимости перейти к следующему пакету.
   
   
2. В сети Интернет. Указанный выше протокол применяется в глобальной сети.
   
   
3. Технология блокчейн. Здесь функция хэша обеспечивает целостность цепи операций и защищает систему от взлома. Благодаря такой особенности, blockchain отличается надежностью и лежит в основе многих криптовалют.
   
   
4. Криптография. При использовании в этой сфере используется функция, исключая вычисление исходного массива данных по конечному хэшу. Дополнительное условие — стойкость к повторениям. Расчеты занимают больше времени, ведь главный упор делается на надежность.
   
   
5. Электронная цифровая подпись. Хэш-функция применяется для проверки подписи переданного документа.
   
   
6. Получение доступа к сайтам в Сети и серверам по персональным данным (логин, пароль). Личная информация, как правило, хранится в зашифрованном виде (хэш-сумма). После ввода пароля полученный параметр преобразуется в хэш, сверяется с тем, что находится в системе, после чего пользователь попадает в личный кабинет.
   

Значение хэш в криптовалюте и других сферах сложно переоценить. Это важный параметр, обеспечивающий быстрое преобразование и шифрование данных с возможностью получить информацию о проведенной операции.

Видео о криптографических хэш-функциях: