¿Qué es el hashing?

Conceptos básicos

El hashing es un proceso que genera una salida de tamaño fijo a partir de una entrada de tamaño variable mediante fórmulas matemáticas conocidas como funciones hash. Existen funciones hash convencionales y criptográficas, siendo estas últimas el núcleo de las criptomonedas. Estas funciones permiten que las blockchains y otros sistemas distribuidos alcancen altos niveles de seguridad e integridad de los datos.

Las funciones hash son deterministas, lo que significa que dadas las mismas entradas siempre producirán la misma salida. Esta salida también se conoce como resumen o hash.

Los algoritmos de hashing en criptomonedas están diseñados como funciones unidireccionales, lo que implica que son difíciles de invertir sin una cantidad considerable de potencia computacional y recursos. Es relativamente sencillo crear una salida a partir de una entrada, pero ir en la dirección opuesta para generar la entrada a partir de la salida es un desafío. La seguridad de un algoritmo de hashing se mide típicamente por la dificultad de encontrar la entrada; cuanto más seguro sea el algoritmo, mayor será la dificultad requerida.

How Does a Hash Function Work? 

Las funciones hash se utilizan para producir salidas de tamaños variados, pero los tamaños posibles de salida para cada algoritmo permanecen fijos. Por ejemplo, SHA-256 siempre producirá una salida de 256 bits, mientras que SHA-1 solo genera un resumen de 160 bits. El hash en sí es un conjunto de letras y números.

Nota que una pequeña diferencia en la entrada, como la mayúscula de la primera letra, produce un valor de hash completamente distinto. Aun así, para SHA-256 la salida siempre tendrá un tamaño fijo de 256 bits (o 64 caracteres), independientemente del tamaño de la entrada. Además, no importa cuántas veces se procesen las dos palabras con el algoritmo; la salida siempre será la misma. Sin embargo, las salidas serán diferentes si se utilizan las mismas entradas con el algoritmo SHA-1.

Es importante señalar que SHA significa Secure Hash Algorithms, que es un conjunto de funciones hash criptográficas que incluye los algoritmos SHA-0 y SHA-1, así como los grupos SHA-2 y SHA-3. El algoritmo SHA-256 forma parte del grupo SHA-2, junto con SHA-512 y otras variaciones. Actualmente, solo los grupos SHA-2 y SHA-3 se consideran seguros.

¿Cuál es la importancia del hashing?

El hashing tiene diversos casos de uso, desde el análisis de archivos grandes y la gestión de datos hasta aplicaciones de seguridad de la información, como la autenticación de mensajes y la huella digital. Las funciones hash criptográficas desempeñan un papel crucial en el proceso de minería de Bitcoin y en la creación de nuevas direcciones y claves. El poder del hashing se hace evidente al manejar grandes volúmenes de información. Las funciones hash condensan la entrada en una salida (hash), lo que permite verificar datos sin la necesidad de almacenar grandes cantidades de información. La tecnología blockchain se beneficia del hashing, ya que enlaza y condensa transacciones en bloques, creando una cadena de bloques. La blockchain de Bitcoin depende en gran medida del hashing en varias operaciones, principalmente en la minería, para producir vínculos criptográficos entre cada bloque. En resumen, el hashing es una parte esencial de los protocolos de criptomonedas para lograr integridad de datos, seguridad e inmutabilidad.

Funciones hash 

Las funciones hash tienen muchas aplicaciones, incluidas la gestión de datos, las búsquedas en bases de datos y el análisis de archivos grandes. En seguridad de la información, las funciones hash criptográficas se usan ampliamente para la huella digital y la autenticación de mensajes. Las funciones hash criptográficas son esenciales en el proceso de minería de Bitcoin y también juegan un papel clave en la creación de nuevas claves y direcciones.

El hashing es especialmente útil cuando se trabaja con cantidades masivas de datos. Al ejecutar un archivo grande o un conjunto de datos a través de una función hash, se puede verificar rápidamente la exactitud e integridad de los datos mediante la salida. Esto es posible debido a la naturaleza determinista de las funciones hash, donde la entrada siempre producirá una salida simplificada y condensada o hash. Este enfoque elimina la necesidad de almacenar y recordar grandes volúmenes de información.

Para la tecnología blockchain, el hashing es particularmente relevante. La mayoría de los protocolos de criptomonedas dependen del hashing para condensar y enlazar grupos de transacciones en bloques y producir vínculos criptográficos entre cada bloque, creando una cadena de bloques.

Para que una función hash criptográfica se considere segura, debe cumplir tres propiedades: resistencia a colisiones, resistencia a la preimagen y resistencia a la segunda preimagen. 

• Resistencia a colisiones significa que es imposible encontrar dos entradas distintas que produzcan la misma salida. 
• Resistencia a la preimagen significa que es imposible revertir la función hash y encontrar la entrada a partir de una salida dada. 
• Resistencia a la segunda preimagen significa que es imposible encontrar una segunda entrada que colisione con una entrada ya especificada.

Resistencia a colisiones

Una función hash es resistente a colisiones hasta que alguien encuentra una colisión donde diferentes entradas producen el mismo hash. Las colisiones siempre existirán para cualquier función hash porque las entradas posibles son infinitas, mientras que las salidas posibles son finitas. Las funciones hash se consideran resistentes a colisiones cuando la probabilidad de encontrar una colisión es lo suficientemente baja como para requerir millones de años de cálculo. Algunas de las funciones hash que cumplen este estándar incluyen SHA-256.

Los grupos SHA-0 y SHA-1 ya no son seguros porque se han encontrado colisiones. En contraste, los grupos SHA-2 y SHA-3 se consideran resistentes a colisiones.

Las funciones hash criptográficas usan técnicas criptográficas, y romperlas requiere numerosos intentos de fuerza bruta. Para revertir una función hash criptográfica, es necesario adivinar la entrada por prueba y error hasta producir la salida correspondiente. Sin embargo, diferentes entradas pueden producir la misma salida, provocando una colisión.

Resistencia a la preimagen 

Las funciones unidireccionales y la resistencia a la preimagen son propiedades de las funciones hash que aseguran que es casi imposible determinar la entrada que generó una salida particular. Esto está relacionado con el concepto de funciones unidireccionales, donde es fácil calcular la salida pero difícil calcular la entrada a partir de la salida.

Nota que la resistencia a la preimagen es diferente de la resistencia a colisiones porque, en la primera, un atacante intentaría adivinar la entrada a partir de una salida dada. En la segunda, una colisión ocurre cuando dos entradas diferentes producen la misma salida.

La resistencia a la preimagen es valiosa para la protección de datos porque un hash de un mensaje puede demostrar su autenticidad sin revelar el mensaje en sí. 

Resistencia a la segunda preimagen 

La resistencia a la segunda preimagen es una propiedad que se sitúa entre las otras dos. Implica encontrar una entrada específica que genere la misma salida que otra entrada ya conocida. Un ataque de segunda preimagen es parecido a encontrar una colisión, salvo que se busca una entrada que produzca el mismo hash que una entrada específica en lugar de encontrar dos entradas aleatorias que generen el mismo hash.

Dado que un ataque de segunda preimagen siempre implica una colisión, cualquier función hash resistente a colisiones también es resistente a ataques de segunda preimagen. Sin embargo, una función resistente a colisiones aún puede ser vulnerable a ataques de preimagen, ya que esto implica encontrar una sola entrada a partir de una sola salida. Por lo tanto, la resistencia a la preimagen es una propiedad crucial de las funciones hash y a menudo se utiliza para proteger datos. Muchos proveedores de servicios y aplicaciones web almacenan y usan hashes generados a partir de contraseñas en lugar de las contraseñas en texto plano. De este modo, pueden probar la autenticidad del mensaje sin divulgar la información.

Minería 

La minería de Bitcoin implica múltiples pasos que requieren el uso de funciones hash. Estos pasos incluyen verificar saldos, conectar entradas y salidas de transacciones y hashear transacciones dentro de un bloque para formar un árbol de Merkle. Sin embargo, una de las principales razones por las que la blockchain de Bitcoin es segura es porque los mineros necesitan realizar muchas operaciones de hashing para descubrir una solución válida para el siguiente bloque.

Para generar un valor hash para su bloque candidato, un minero debe probar muchas entradas diferentes. Esencialmente, los mineros solo validarán su bloque si pueden producir un hash de salida que comience con un número específico de ceros. El número de ceros determina la dificultad de minería, que varía según la tasa de hash invertida en la red.

La tasa de hash indica la cantidad de potencia informática invertida en la minería de Bitcoin. Si la tasa de hash de la red aumenta, el protocolo de Bitcoin ajustará automáticamente la dificultad de minería, asegurando que el tiempo medio requerido para minar un bloque se mantenga alrededor de 10 minutos. Por el contrario, si numerosos mineros dejan de minar y la tasa de hash disminuye significativamente, la dificultad de minería se ajustará para facilitar la minería hasta que el tiempo medio por bloque vuelva a 10 minutos.

Vale la pena señalar que los mineros no necesitan encontrar colisiones, ya que pueden generar múltiples hashes que califican como salidas válidas (con un número particular de ceros al inicio). Así, existen muchas soluciones posibles para un bloque dado, y los mineros solo deben encontrar una de ellas según el umbral establecido por la dificultad de minería.

Dado que la minería de Bitcoin es un proceso costoso, los mineros no tienen incentivo para engañar al sistema porque hacerlo supondría pérdidas financieras significativas. Cuantos más mineros participen en una blockchain, más grande y robusta se vuelve.

Conclusión

Para quienes estén interesados en la tecnología blockchain, las funciones hash criptográficas son esenciales para comprender su funcionamiento. Estos algoritmos ofrecen seguridad y autenticación cuando se combinan con criptografía, lo que los hace muy versátiles al tratar con grandes volúmenes de datos. Las funciones hash desempeñan un papel crucial en casi todas las redes de criptomonedas. Entender sus propiedades y mecanismos de funcionamiento es fundamental en la informática.