Qu'est-ce que le hachage ?

Notions de base

Le hachage est un processus qui génère une sortie de taille fixe à partir d'une entrée de taille variable en utilisant des formules mathématiques appelées fonctions de hachage. Il existe des fonctions de hachage conventionnelles et cryptographiques, ces dernières étant au cœur des crypto-monnaies. Ces fonctions permettent aux blockchains et à d'autres systèmes distribués d'atteindre des niveaux élevés de sécurité et d'intégrité des données.

Les fonctions de hachage sont déterministes : pour une même entrée, elles produiront toujours la même sortie. Cette sortie est également appelée empreinte ou hash.

Les algorithmes de hachage en crypto-monnaie sont conçus comme des fonctions à sens unique, ce qui signifie qu'il est difficile de les inverser sans une puissance de calcul et des ressources significatives. Il est relativement facile de créer une sortie à partir d'une entrée, mais l'opération inverse, c'est‑à‑dire générer l'entrée à partir de la sortie seule, est un défi. La sécurité d'un algorithme de hachage se mesure généralement à la difficulté de retrouver l'entrée : plus l'algorithme est sécurisé, plus cette tâche est ardue.

Comment fonctionne une fonction de hachage ? 

Les fonctions de hachage produisent des sorties de tailles variables selon l'algorithme, mais la taille possible de sortie pour chaque algorithme reste fixe. Par exemple, SHA-256 produira toujours une sortie de 256 bits, tandis que SHA-1 génèrera une empreinte de 160 bits. Le hash lui‑même est un ensemble de lettres et de chiffres.

Notez qu'une légère différence dans l'entrée, comme la casse de la première lettre, entraîne une valeur de hash complètement différente. Malgré cela, pour SHA-256, la sortie aura toujours une taille fixe de 256 bits (ou 64 caractères), quelle que soit la taille de l'entrée. De plus, peu importe le nombre de fois où les mêmes mots sont passés dans l'algorithme : la sortie sera toujours identique. En revanche, les sorties seront différentes si les mêmes entrées sont utilisées avec l'algorithme de hachage SHA-1.

Il est important de souligner que SHA signifie Secure Hash Algorithms, un ensemble de fonctions de hachage cryptographiques qui inclut les algorithmes SHA-0 et SHA-1, ainsi que les familles SHA-2 et SHA-3. L'algorithme SHA-256 fait partie du groupe SHA-2, aux côtés de SHA-512 et d'autres variantes. À ce jour, seules les familles SHA-2 et SHA-3 sont considérées comme sûres.

Quelle est l'importance du hachage ?

Le hachage a de nombreux cas d'utilisation, de l'analyse de gros fichiers et la gestion des données aux applications de sécurité de l'information telles que l'authentification des messages et l'empreinte numérique. Les fonctions de hachage cryptographiques jouent un rôle crucial dans le processus de minage du Bitcoin et dans la création de nouvelles adresses et clés. La puissance du hachage devient évidente lorsqu'on traite de grandes quantités d'informations. Les fonctions de hachage condensent l'entrée en une sortie (hash), permettant la vérification des données sans besoin de stocker de gros volumes. La technologie blockchain bénéficie du hachage, car il lie et condense les transactions en blocs, créant ainsi une chaîne de blocs. La blockchain Bitcoin s'appuie fortement sur le hachage dans plusieurs opérations, principalement le minage, pour produire des liens cryptographiques entre chaque bloc. En résumé, le hachage est une part essentielle des protocoles de crypto-monnaie pour garantir l'intégrité, la sécurité et l'immutabilité des données.

Fonctions de hachage 

Les fonctions de hachage ont de nombreuses applications, notamment la gestion des données, les recherches dans les bases de données et l'analyse de gros fichiers. En sécurité informatique, les fonctions de hachage cryptographiques sont largement utilisées pour l'empreinte numérique et l'authentification des messages. Elles sont indispensables dans le processus de minage du Bitcoin, et jouent aussi un rôle central dans la création de nouvelles clés et adresses.

Le hachage est particulièrement utile lorsqu'on traite des volumes massifs de données. En faisant passer un gros fichier ou un ensemble de données dans une fonction de hachage, on peut vérifier rapidement l'exactitude et l'intégrité des données à l'aide de la sortie obtenue. Ceci est possible grâce au caractère déterministe des fonctions de hachage : l'entrée produira toujours une sortie simplifiée et condensée ou hash. Cette approche évite la nécessité de stocker et de mémoriser de grandes quantités d'informations.

Pour la technologie blockchain, le hachage est particulièrement pertinent. La majorité des protocoles de crypto-monnaie dépendent du hachage pour condenser et lier des groupes de transactions en blocs et produire des liens cryptographiques entre chaque bloc, créant ainsi une blockchain.

Pour être considérée comme sécurisée, une fonction de hachage cryptographique doit satisfaire trois propriétés : résistance aux collisions, résistance à la préimage et résistance à la seconde préimage. 

• La résistance aux collisions signifie qu'il est impossible de trouver deux entrées distinctes qui produisent la même sortie. 
• La résistance à la préimage signifie qu'il est impossible d'inverser la fonction de hachage et de retrouver l'entrée à partir d'une sortie donnée. 
• La résistance à la seconde préimage signifie qu'il est impossible de trouver une seconde entrée qui entre en collision avec une entrée spécifiée.

Résistance aux collisions

Une fonction de hachage est considérée comme résistante aux collisions tant que personne n'a trouvé de collision où des entrées différentes produisent le même hash. Des collisions existeront toujours pour toute fonction de hachage parce que les entrées possibles sont infinies, tandis que les sorties possibles sont finies. Les fonctions de hachage sont jugées résistantes aux collisions lorsque la probabilité d'en trouver une est suffisamment faible pour exiger des millions d'années de calcul. Certaines fonctions répondant à cette exigence incluent SHA-256.

Les familles SHA-0 et SHA-1 ne sont plus sécurisées car des collisions y ont été trouvées. En revanche, les familles SHA-2 et SHA-3 sont considérées comme résistantes aux collisions.

Les fonctions de hachage cryptographiques utilisent des techniques cryptographiques, et les briser nécessite de nombreux essais par force brute. Pour inverser une fonction de hachage cryptographique, il faut deviner l'entrée par essais et erreurs jusqu'à produire la sortie correspondante. Cependant, des entrées différentes peuvent produire la même sortie, entraînant une collision.

Résistance à la préimage 

Les fonctions à sens unique et la résistance à la préimage sont des propriétés des fonctions de hachage qui garantissent qu'il est presque impossible de déterminer l'entrée ayant produit une sortie donnée. Cela renvoie au concept de fonctions à sens unique, où il est facile de calculer la sortie mais difficile de retrouver l'entrée à partir de la sortie.

Notez que la résistance à la préimage diffère de la résistance aux collisions : dans le premier cas, un attaquant tenterait de deviner l'entrée à partir d'une sortie donnée. Dans le second, une collision survient lorsque deux entrées différentes produisent la même sortie.

La résistance à la préimage est précieuse pour la protection des données, car le hash d'un message peut prouver son authenticité sans révéler le message lui‑même. 

Résistance à la seconde préimage 

La résistance à la seconde préimage est une propriété située entre les deux autres. Elle consiste à trouver une entrée spécifique qui génère la même sortie qu'une autre entrée déjà connue. Une attaque par seconde préimage ressemble à la recherche d'une collision, sauf que l'on cherche une entrée qui produit le même hash qu'une entrée précise, plutôt que de trouver deux entrées aléatoires produisant le même hash.

Étant donné qu'une attaque par seconde préimage implique toujours une collision, toute fonction résistante aux collisions est également résistante aux attaques par seconde préimage. Toutefois, une fonction résistante aux collisions peut encore être vulnérable aux attaques par préimage, car celles-ci consistent à retrouver une seule entrée à partir d'une seule sortie. La résistance à la préimage est donc une propriété cruciale des fonctions de hachage et est souvent utilisée pour protéger les données. De nombreux fournisseurs de services et applications web stockent et utilisent des hashes générés à partir des mots de passe plutôt que les mots de passe en clair. Ainsi, ils peuvent prouver l'authenticité du message sans divulguer l'information.

Minage 

Le minage de Bitcoin implique plusieurs étapes nécessitant l'utilisation de fonctions de hachage. Ces étapes comprennent la vérification des soldes, la connexion des entrées et sorties des transactions, et le hachage des transactions au sein d'un bloc pour former un arbre de Merkle. Cependant, l'une des principales raisons pour lesquelles la blockchain Bitcoin est sécurisée est que les mineurs doivent effectuer de nombreuses opérations de hachage pour découvrir une solution valide pour le bloc suivant.

Pour générer une valeur de hash pour leur bloc candidat, un mineur doit essayer de nombreuses entrées différentes. Essentiellement, les mineurs ne valideront leur bloc que s'ils peuvent produire un hash de sortie qui commence par un nombre spécifique de zéros. Le nombre de zéros détermine la difficulté du minage, qui varie en fonction du hashrate investi sur le réseau.

Le hashrate représente la quantité de puissance informatique investie dans le minage du Bitcoin. Si le hashrate du réseau augmente, le protocole Bitcoin ajustera automatiquement la difficulté du minage, garantissant que le temps moyen nécessaire pour miner un bloc reste d'environ 10 minutes. À l'inverse, si de nombreux mineurs cessent leur activité et que le hashrate diminue significativement, la difficulté de minage sera ajustée pour faciliter le minage jusqu'à ce que le temps moyen par bloc revienne à 10 minutes.

Il convient de noter que les mineurs n'ont pas besoin de trouver des collisions puisque plusieurs hashes peuvent satisfaire la condition de sortie valide (avec un certain nombre de zéros au début). Ainsi, il existe de nombreuses solutions possibles pour un bloc donné, et les mineurs n'ont qu'à en trouver une parmi le seuil établi par la difficulté de minage.

Étant donné que le minage de Bitcoin est un processus coûteux, les mineurs n'ont aucun intérêt à tricher, car cela entraînerait des pertes financières importantes. Plus les mineurs participent à une blockchain, plus celle-ci devient grande et robuste.

Conclusion

Pour ceux qui s'intéressent à la technologie blockchain, les fonctions de hachage cryptographiques sont essentielles à comprendre. Ces algorithmes offrent sécurité et authentification lorsqu'ils sont combinés à la cryptographie, les rendant très polyvalents pour traiter de grands volumes de données. Les fonctions de hachage jouent un rôle crucial dans presque tous les réseaux de crypto-monnaie. Comprendre leurs propriétés et leur mode de fonctionnement est primordial en informatique.