Στην επιστήμη των υπολογιστών, ένα hash (επίσης γνωστός ως κωδικός Hash , τιμή κατακερματισμού , ή hash sum ) είναι μια αριθμητική αναπαράσταση σταθερού μεγέθους μιας αυθαίρετης ποσότητας δεδομένων. Είναι σαν δακτυλικό αποτύπωμα ή ψηφιακή υπογραφή για μια πληροφορία.
Κλειδικές ιδιότητες ενός κατακερματισμού:
* Έξοδος σταθερού μεγέθους: Ανεξάρτητα από το μέγεθος των δεδομένων εισόδου, η συνάρτηση κατακερματισμού παράγει πάντα μια έξοδο ενός συγκεκριμένου, προκαθορισμένου μήκους (π.χ. 256 bits, 160 bits).
* ντετερμινιστική: Η ίδια είσοδος παράγει πάντα την ίδια έξοδο κατακερματισμού. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για τη συνέπεια και την αξιοπιστία.
* Αντίσταση σύγκρουσης (ιδανικά): Θα πρέπει να είναι εξαιρετικά δύσκολο να βρεθούν δύο διαφορετικές εισροές που παράγουν την ίδια έξοδο κατακερματισμού (μια "σύγκρουση"). Ενώ η τέλεια αντίσταση σύγκρουσης είναι αδύνατη στην πράξη (λόγω της αρχής του περιστέρι), οι καλές λειτουργίες κατακερματισμού ελαχιστοποιούν την πιθανότητα συγκρούσεων.
* Λειτουργία μονής κατεύθυνσης (ιδανικά): Θα πρέπει να είναι υπολογιστικά ανέφικτο να αντιστραφεί η λειτουργία κατακερματισμού, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορείτε να καθορίσετε τα αρχικά δεδομένα εισόδου από την τιμή κατακερματισμού. Αυτό είναι σημαντικό για τις εφαρμογές ασφαλείας.
Σκεφτείτε το έτσι:
Φανταστείτε ότι έχετε ένα μηχάνημα (τη συνάρτηση κατακερματισμού) που παίρνει οποιοδήποτε αντικείμενο (τα δεδομένα εισόδου) και παράγει μια μοναδική ετικέτα σταθερού μεγέθους (τιμή κατακερματισμού) για αυτό το αντικείμενο. Οι ετικέτες είναι πολύ μικρότερες από τα ίδια τα αντικείμενα.
Το Hashes έχει πολλές εφαρμογές στον προγραμματισμό υπολογιστών, συμπεριλαμβανομένων:
1. Πίνακες κατακερματισμού (λεξικά, χάρτες):
* Σκοπός: Οι πίνακες hash είναι μια θεμελιώδη δομή δεδομένων που χρησιμοποιείται για την αποτελεσματική αποθήκευση και την ανάκτηση των δεδομένων που βασίζονται σε ζεύγη βασικών τιμών.
* Πώς λειτουργεί:
* Το κλειδί μεταβιβάζεται σε μια λειτουργία κατακερματισμού.
* Η συνάρτηση κατακερματισμού υπολογίζει μια τιμή κατακερματισμού (ένας ακέραιος) από το κλειδί.
* Αυτή η τιμή κατακερματισμού χρησιμοποιείται ως δείκτης σε έναν πίνακα (ο πίνακας κατακερματισμού).
* Η αντίστοιχη τιμή αποθηκεύεται σε αυτόν τον δείκτη.
* Οφέλη: Παρέχει πολυπλοκότητα μέσου όρου O (1) (σταθερή ώρα) για εισαγωγή, διαγραφή και εργασίες αναζήτησης, καθιστώντας την απίστευτα γρήγορη για την αναζήτηση και την ανάκτηση δεδομένων.
* Παράδειγμα:
`` `Python
my_dict ={} # ένα κενό λεξικό (πίνακας κατακερματισμού)
my_dict ["apple"] =1 # Εισάγετε το "Apple" ως το κλειδί και 1 ως τιμή
my_dict ["μπανάνα"] =2
εκτύπωση (my_dict ["apple"]) # έξοδος:1 (γρήγορη αναζήτηση)
`` `
2. Ακεραιότητα δεδομένων (αλέγματα):
* Σκοπός: Για να επαληθεύσετε ότι τα δεδομένα δεν έχουν καταστραφεί κατά τη μετάδοση ή την αποθήκευση.
* Πώς λειτουργεί:
* Υπολογίστε το hash ενός αρχείου ή ενός μπλοκ δεδομένων πριν από τη μετάδοση/αποθήκευση.
* Μετά τη μετάδοση/ανάκτηση, υπολογίστε εκ νέου τον κατακερματισμό.
* Συγκρίνετε τις δύο τιμές κατακερματισμού. Εάν ταιριάζουν, τα δεδομένα είναι πιθανώς άθικτα.
* Παραδείγματα:
* Λήψη αρχείων:MD5, SHA-256 Τα checksums παρέχονται συχνά για να επαληθεύσουν την ακεραιότητα των αρχείων που κατεβάσουν.
* Πρωτόκολλα δικτύου:Οι μηχανισμοί ανίχνευσης σφαλμάτων και διόρθωσης χρησιμοποιούν τα checksums με βάση τις λειτουργίες κατακερματισμού.
* Γιατί είναι χρήσιμο: Μια μόνο αλλαγή bit στα δεδομένα εισόδου θα έχει ως αποτέλεσμα μια δραματικά διαφορετική τιμή κατακερματισμού.
3. Κρυπτογραφία:
* Αποθήκευση κωδικού πρόσβασης: Αντί να αποθηκεύουν άμεσα τους κωδικούς πρόσβασης, τα συστήματα αποθηκεύουν το hash του κωδικού πρόσβασης. Με αυτόν τον τρόπο, ακόμη και αν η βάση δεδομένων διακυβεύεται, οι πραγματικοί κωδικοί πρόσβασης δεν αποκαλύπτονται (δεδομένου ότι είναι δύσκολο να αντιστραφεί το hash). Προστίθεται συνήθως αλάτι για την πρόληψη επιθέσεων τραπεζιών ουράνιου τόξου.
* Ψηφιακές υπογραφές: Το Hashing χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ψηφιακής υπογραφής ενός εγγράφου ή μηνύματος. Ο αποστολέας χτυπάει το έγγραφο και στη συνέχεια κρυπτογραφεί το hash με το ιδιωτικό τους κλειδί. Ο δέκτης αποκρυπτογραφεί την υπογραφή με το δημόσιο κλειδί του αποστολέα και συγκρίνει τον προκύπτοντα κατακερματισμό με το δικό του υπολογισμένο hash του εγγράφου. Εάν ταιριάζουν, επαληθεύει την αυθεντικότητα και την ακεραιότητα του μηνύματος.
* Κωδικοί ελέγχου ταυτότητας μηνυμάτων (Macs): Παρόμοια με τις ψηφιακές υπογραφές, οι Mac χρησιμοποιούνται για την επαλήθευση της αυθεντικότητας και της ακεραιότητας των μηνυμάτων, αλλά χρησιμοποιούν ένα κοινό μυστικό κλειδί αντί για ζευγάρια δημόσιων/ιδιωτικών κλειδιών.
* Τεχνολογία blockchain: Το Hashing είναι ένα βασικό στοιχείο της τεχνολογίας blockchain. Κάθε μπλοκ περιέχει το hash του προηγούμενου μπλοκ, σχηματίζοντας μια αλυσίδα μπλοκ που είναι ανθεκτικό στην παραβίαση.
4. Προσωρινή αποθήκευση:
* Σκοπός: Για να ανακτήσετε γρήγορα τα δεδομένα που έχουν συχνά πρόσβαση.
* Πώς λειτουργεί: Το κλειδί που χρησιμοποιείται για την πρόσβαση στα δεδομένα είναι χασμουρητό και το προκύπτον κατακερματισμό χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της θέσης των αποθηκευμένων δεδομένων.
* Οφέλη: Αποφυγή δαπανηρών λειτουργιών όπως ερωτήματα βάσεων δεδομένων ή πολύπλοκες υπολογισμοί, αποθηκεύοντας τα αποτελέσματα σε μια προσωρινή μνήμη και την ανάκτηση τους γρήγορα χρησιμοποιώντας το hashing.
5. deduplication δεδομένων:
* Σκοπός: Για να μειώσετε τον αποθηκευτικό χώρο εντοπίζοντας και εξαλείφοντας τα αντίγραφα των δεδομένων.
* Πώς λειτουργεί: Τα αρχεία ή τα μπλοκ δεδομένων είναι χαστούκια. Εάν δύο διαφορετικά αρχεία έχουν το ίδιο κατακερματισμό, είναι πιθανό ότι είναι πανομοιότυπα (αν και είναι δυνατές συγκρούσεις). Ένα αντίγραφο αποθηκεύεται και το άλλο αντικαθίσταται με δείκτη στο αποθηκευμένο αντίγραφο.
6. Ευρετηρίαση βάσης δεδομένων:
* Σκοπός: Για να επιταχύνετε τα ερωτήματα βάσης δεδομένων.
* Πώς λειτουργεί: Το Hashing μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός ευρετηρίου σε μια στήλη πίνακα. Όταν ένα ερώτημα αναζητά μια συγκεκριμένη τιμή, η τιμή είναι χαστούκι και ο δείκτης χρησιμοποιείται για να εντοπίσει γρήγορα τις αντίστοιχες σειρές στον πίνακα.
Κοινοί αλγόριθμοι κατακερματισμού:
* MD5 (Αλγόριθμος Message Digest 5): Ο παλαιότερος αλγόριθμος, που τώρα θεωρείται κρυπτογραφικά σπασμένος (ευάλωτος σε συγκρούσεις). Ακόμα χρησιμοποιείται για ελέγχου ελέγχου σε ορισμένα πλαίσια, αλλά αποθαρρύνεται για εφαρμογές ευαίσθητου στην ασφάλεια.
* sha-1 (αλγόριθμος ασφαλείας hash 1): Θεωρείται επίσης κρυπτογραφικά αδύναμη. Αποθαρρύνονται για νέες εφαρμογές.
* οικογένεια Sha-2 (Sha-256, Sha-512, κλπ.): Πιο ασφαλής από τα MD5 και SHA-1. Χρησιμοποιείται ευρέως για κρυπτογραφικές εφαρμογές και ελέγχους ακεραιότητας δεδομένων.
* sha-3 (keccak): Ένας διαφορετικός αλγόριθμος από την οικογένεια Sha-2, που επιλέχθηκε ως νικητής ενός διαγωνισμού NIST.
* Bcrypt, Scrypt, Argon2: Ειδικά σχεδιασμένο για hashing κωδικού πρόσβασης, αυτοί οι αλγόριθμοι είναι πιο υπολογιστικά δαπανηρές και ανθεκτικές σε επιθέσεις βίαιης δύναμης.
Σημαντικές εκτιμήσεις:
* Επιλέγοντας τη σωστή λειτουργία κατακερματισμού: Η κατάλληλη λειτουργία κατακερματισμού εξαρτάται από τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Οι εφαρμογές κρίσιμης σημασίας για την ασφάλεια απαιτούν ισχυρές λειτουργίες κρυπτογραφικού κατακερματισμού (όπως το SHA-256 ή το νεότερο). Για τους πίνακες κατακερματισμού, η απόδοση και η αντίσταση σε σύγκρουση είναι σημαντικοί παράγοντες.
* Χειρισμός σύγκρουσης: Οι πίνακες hash πρέπει να έχουν μια στρατηγική για τον χειρισμό συγκρούσεων (όταν δύο διαφορετικά πλήκτρα hash στον ίδιο δείκτη). Οι κοινές τεχνικές επίλυσης σύγκρουσης περιλαμβάνουν ξεχωριστή αλυσίδα και ανοιχτή διευθύνσεις.
* Ασφάλεια: Όταν χρησιμοποιείτε κατακερματισμούς για σκοπούς ασφαλείας, είναι σημαντικό να χρησιμοποιείτε ισχυρούς, καλοπροαίρετους αλγόριθμους κατακερματισμού και να λαμβάνετε μέτρα για την πρόληψη επιθέσεων όπως επιθέσεις τραπεζιού ουράνιου τόξου (π.χ. χρησιμοποιώντας αλάτι).
Συνοπτικά, το Hashing είναι μια ισχυρή και ευέλικτη τεχνική που χρησιμοποιείται εκτενώς στον προγραμματισμό υπολογιστών για εργασίες που κυμαίνονται από την αποθήκευση δεδομένων και την ανάκτηση έως την επαλήθευση και την ασφάλεια της ακεραιότητας των δεδομένων. Η κατανόηση των αρχών του hashing είναι απαραίτητη για κάθε προγραμματιστή λογισμικού.
Πνευματικά δικαιώματα © Γνώση Υπολογιστών Όλα τα δικαιώματα κατοχυρωμένα