التجزئة هي عملية إنشاء مخرجات ذات حجم ثابت من مدخلات ذات حجم متغير. يتم إنجاز هذه العملية من خلال صيغة رياضية تسمى "دالة التجزئة" (يتم تنفيذها كخوارزمية تجزئة).

لا تتضمن جميع وظائف التجزئة استخدام التشفير، ولكن "وظائف التجزئة المشفرة" تقع في قلب العملات المشفرة. بفضل وظائف التجزئة المشفرة، يمكن تحقيق مستويات عالية من سلامة البيانات وأمانها في blockchain والأنظمة الموزعة الأخرى.

تعتبر كل من وظائف التجزئة التقليدية ووظائف التجزئة المشفرة حتمية. تشير الحتمية إلى حقيقة أن خوارزمية التجزئة ستنتج دائمًا نفس المخرجات (وتسمى أيضًا "الملخص" أو "قيمة التجزئة") طالما أن المدخلات لا تتغير.

بشكل عام، تم تصميم خوارزميات تجزئة العملات المشفرة لتكون دوال أحادية الاتجاه، مما يعني أنه لا يمكن استعادتها بسهولة دون وقت وموارد حسابية كبيرة. بعبارة أخرى، من السهل إنشاء مخرج من المدخل، ولكن من الصعب نسبيًا استعادة المدخل من المخرج. بشكل عام، كلما كان من الصعب العثور على المدخل، كانت خوارزمية التجزئة أكثر أمانًا.

كيف تعمل دوال التجزئة؟

تنتج دوال التجزئة المختلفة مخرجات بأحجام مختلفة، ولكن حجم المخرج لكل خوارزمية تجزئة يبقى ثابتًا دائمًا. على سبيل المثال، يمكن لخوارزمية SHA-256 أن تنتج مخرجًا بزاوية 256 بت، بينما تنتج خوارزمية SHA-1 دائمًا ملخصًا بزاوية 160 بت.

لتوضيح ذلك، نقوم بتشغيل كلمتي "Binance" و"binance" باستخدام خوارزمية SHA-256 (الخوارزمية المستخدمة في البيتكوين).

يرجى ملاحظة أن أي تغيير طفيف في حالة الأحرف ينتج عنه قيم تجزئة مختلفة تمامًا. بغض النظر عن طول قيمة المدخلات، فإن مخرجات خوارزمية SHA-256 تظل دائمًا ثابتة بزاوية 256 بت (أو 64 حرفًا). بالإضافة إلى ذلك، بغض النظر عن عدد المرات التي تُشغل فيها الخوارزمية هذين الكلمتين، تظل مخرجاتهما ثابتة.

على العكس، إذا تم تشغيل نفس المدخلات باستخدام خوارزمية SHA-1، فستكون النتائج كما يلي:

يرجى ملاحظة أن "SHA" هو اختصار لخوارزميات التجزئة الآمنة (Secure Hash Algorithms). تشير هذه الخوارزمية إلى مجموعة من دوال التجزئة التشفيرية، بما في ذلك خوارزميات SHA-0 وSHA-1، بالإضافة إلى مجموعة SHA-2 وSHA-3. تعتبر SHA-256 وSHA-512 وغيرها من المتغيرات جزءًا من مجموعة SHA-2. حاليًا، يتم اعتبار مجموعتي SHA-2 وSHA-3 فقط آمنتين.

ما أهمية دوال التجزئة؟

تتمتع دوال التجزئة التقليدية بمجموعة متنوعة من الاستخدامات، بما في ذلك البحث في قواعد البيانات، وتحليل الملفات الكبيرة، وإدارة البيانات. بينما تُستخدم دوال التجزئة التشفيرية على نطاق واسع في تطبيقات أمن المعلومات، مثل التحقق من الرسائل وبصمات البيانات. فيما يتعلق بعملة البيتكوين، تعتبر دوال التجزئة التشفيرية جزءًا لا يتجزأ من عملية التعدين، كما تؤثر على إنشاء عناوين ومفاتيح جديدة.

تظهر فعالية دوال التجزئة عند التعامل مع كميات ضخمة من المعلومات. على سبيل المثال، يمكن تشغيل دالة التجزئة على ملف كبير أو مجموعة بيانات، ثم استخدام مخرجاتها للتحقق بسرعة من دقة البيانات وسلامتها. تتمتع دوال التجزئة باليقينية، مما يجعلها فعالة: المدخلات دائمًا ما تنتج مخرجات مضغوطة مبسطة (أي قيمة التجزئة). هذه التقنية تلغي الحاجة إلى تخزين و"تذكر" كميات كبيرة من البيانات.

تعتبر دوال التجزئة فعالة بشكل خاص في مجال تقنية blockchain. تحتوي سلسلة الكتل الخاصة بعملة البيتكوين على العديد من العمليات التي تشمل دوال التجزئة، حيث تحدث معظمها خلال عملية التعدين. في الواقع، تعتمد جميع بروتوكولات العملات المشفرة تقريبًا على دوال التجزئة لربط مجموعات المعاملات وضغطها في كتل، مع إنشاء روابط تشفيرية بين الكتل، مما يخلق سلسلة الكتل بشكل فعال.

دوال التجزئة التشفيرية

بالمثل، يمكن تعريف دوال التجزئة التي تستخدم تقنيات التشفير على أنها دوال تجزئة تشفيرية. بشكل عام، يتطلب كسر الدوال التجزئة التشفيرية عددًا لا يحصى من المحاولات بالقوة الغاشمة. لاستعادة دالة التجزئة التشفيرية، يتعين على المهاجم تجربة العديد من المدخلات حتى يحصل على المخرج المناسب. ومع ذلك، فإن مدخلات مختلفة قد تنتج أيضًا نفس المخرج تمامًا، مما يؤدي إلى حدوث "تصادم".

تقنيًا، يجب أن تتمتع دوال التجزئة التشفيرية بثلاث خصائص لتكون فعالة في ضمان الأمان. الخصائص الثلاث هي مقاومة التصادم، ومقاومة الصورة الأصلية، ومقاومة الصورة الثانية.

قبل مناقشة كل خاصية على حدة، دعنا نلخص بإيجاز المنطق وراء كل خاصية.

• مقاومة التصادم: لا يمكن أن تنتج أي مدخلات مختلفة نفس مخرج قيمة التجزئة.

• مقاومة الصورة الأصلية: لا يمكن "استعادة" دالة التجزئة (أي لا يمكن العثور على المدخلات من المخرج المعطى).

• مقاومة الصورة الثانية: لا يمكن العثور على مدخل آخر يتسبب في تصادم مع مدخل معين.

مقاومة التصادم

كما ذُكر سابقًا، يحدث التصادم عندما تنتج مدخلات مختلفة نفس قيمة التجزئة تمامًا. لذلك، ما لم يتم اكتشاف التصادم، تعتبر دالة التجزئة مقاومة للتصادم. يرجى ملاحظة أنه نظرًا لوجود مدخلات محتملة غير محدودة، ومخرجات محتملة محدودة، فإن دالة التجزئة ستظل دائمًا عرضة للتصادم.

إذا كانت احتمالية اكتشاف التصادم منخفضة لدرجة أن الأمر يتطلب ملايين السنين للحساب، فيمكن القول إن دالة التجزئة مقاومة للتصادم. لذلك، على الرغم من عدم وجود دالة تجزئة خالية من التصادم في الواقع، إلا أنه طالما أن بعضها (مثل SHA-256) قوي بما يكفي، يتم اعتبارها مقاومة للتصادم.

من بين جميع خوارزميات SHA، حدثت تصادمات في مجموعتي SHA-0 وSHA-1، لذا لم تعد آمنة. حاليًا، يتم اعتبار مجموعتي SHA-2 وSHA-3 مقاومة للتصادم.

مقاومة الصورة الأصلية

تتعلق خاصية مقاومة الصورة الأصلية بمفهوم الدالة أحادية الاتجاه. إذا كانت احتمالية العثور على المدخلات التي تنتج مخرجًا معينًا منخفضة للغاية، فيمكن اعتبار دالة التجزئة مقاومة للصورة الأصلية.

يرجى ملاحظة أن المهاجمين سيبحثون في المخرج المعطى لتخمين المدخلات، وبالتالي فإن هذه الخاصية تختلف عن مقاومة التصادم. علاوة على ذلك، فإن المدخلين المختلفين إذا أنتجوا نفس المخرج، فسيؤدي ذلك إلى حدوث تصادم، ولكن لا يهم أي المدخلات تم استخدامها.

تعد خاصية مقاومة الصورة الأصلية ذات قيمة كبيرة لحماية البيانات، لأن ذلك يعني أنه لا حاجة للكشف عن المعلومات، بل يمكن إثبات صحة الرسالة من خلال قيمة التجزئة البسيطة. في التطبيقات العملية، يقوم العديد من مقدمي الخدمات والتطبيقات عبر الإنترنت بتخزين واستخدام قيم التجزئة التي تم إنشاؤها بواسطة كلمات مرور، بدلاً من كلمات المرور في شكل نص عادي.

مقاومة الصورة الثانية

بعبارة بسيطة، تقع مقاومة الصورة الثانية بين الخصائص المذكورة أعلاه. إذا تمكن شخص ما من العثور على مدخل معين، وكان المخرج الناتج عن هذا المدخل هو نفس المخرج الناتج عن مدخل معروف آخر، فسيحدث هجوم الصورة الثانية.

بمعنى آخر، يرتبط هجوم الصورة الثانية بالبحث عن تصادم، ولكنه ليس البحث عن مدخلين عشوائيين ينتجان نفس قيمة التجزئة، بل هو البحث عن مدخل آخر ينتج نفس قيمة التجزئة مع وجود مدخل معين معروف.

عادة ما يشير هجوم الصورة الثانية إلى وجود تصادم. لذلك، أي دالة تجزئة مقاومة للتصادم يمكنها أيضًا مقاومة هجوم الصورة الثانية. ومع ذلك، فإن خاصية مقاومة التصادم تعني أنه يمكن العثور على مدخل واحد من مخرج واحد، لذلك لا يزال بإمكان المهاجمين استهداف دالة التجزئة المقاومة للتصادم بهجوم الصورة الأصلية.

تعدين العملات المشفرة

تستخدم عدة خطوات في تعدين البيتكوين دالة التجزئة، مثل فحص الرصيد، وربط المدخلات والمخرجات، وكذلك إجراء عمليات التجزئة للمعاملات داخل نفس الكتلة لتشكيل شجرة ميركل. ومع ذلك، فإن أحد الأسباب الرئيسية لسلامة سلسلة الكتل الخاصة بعملة البيتكوين هو أن المعدنين يحتاجون إلى تنفيذ عدد لا يحصى من عمليات التجزئة للعثور في النهاية على الحل الصالح للكتلة التالية.

على وجه التحديد، يجب على المعدنين محاولة العديد من المدخلات المختلفة عند إنشاء قيمة التجزئة الخاصة بالكتلة المرشحة. من الناحية الجوهرية، يجب أن تكون قيمة التجزئة الناتجة تبدأ بعدد معين من الأصفار، حتى يتمكن المعدن من التحقق من الكتلة. تحدد كمية الأصفار صعوبة التعدين، وتتغير مع تغير معدل التجزئة المخصص للشبكة.

في هذه الحالة، يمثل معدل التجزئة حجم قدرة الحوسبة المخصصة لتعدين البيتكوين. إذا زاد معدل التجزئة في الشبكة، ستقوم بروتوكولات البيتكوين تلقائيًا بضبط صعوبة التعدين بحيث يبقى متوسط الوقت اللازم لإنتاج كتلة قريبة من 10 دقائق. على العكس من ذلك، إذا قرر عدد من المعدنين التوقف عن التعدين، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في معدل التجزئة، ستنخفض صعوبة التعدين حتى يعود متوسط وقت إنتاج الكتل إلى 10 دقائق.

يرجى ملاحظة أن المعدنين يمكنهم إنتاج قيم تجزئة متعددة كمدخلات صالحة (تبدأ بعدد معين من الأصفار)، لذلك لا يحتاجون إلى البحث عن تصادم. تحتوي الكتلة على العديد من الحلول الممكنة، لكن اعتمادًا على عتبة صعوبة التعدين، يحتاج المعدن إلى العثور على أحد هذه الحلول.

تعدين البيتكوين هو مهمة عالية التكلفة، ولا يحتاج المعدنون إلى خداع النظام، حيث إن ذلك قد يتسبب في خسائر اقتصادية كبيرة. كلما زاد عدد المعدنين الذين ينضمون إلى سلسلة الكتل، زادت حجمها وقوتها.

ملخص

لا شك أن دوال التجزئة هي أدوات أساسية في علوم الكمبيوتر، حيث تتمتع بقدرة استثنائية على معالجة كميات كبيرة من البيانات. عند دمجها مع التشفير، يمكن أن تلعب خوارزميات التجزئة دورًا واسع النطاق، حيث تضمن الأمان وتوفر التحقق من الهوية بطرق متنوعة. بالنسبة لمعظم شبكات العملات المشفرة، تعتبر دوال التجزئة التشفيرية أمرًا حيويًا. لذا، إذا كنت مهتمًا بتقنية blockchain، فإن فهم خصائص وآلية عمل دوال التجزئة التشفيرية سيكون مفيدًا للغاية.