أهم النقاط
التجزئة هي عملية تحويل أي مدخلات إلى مخرجات ذات حجم ثابت باستخدام دالة رياضية، وهي أساسية للعملات المشفرة وتقنية البلوك تشين.
يجب أن تستوفي وظائف التجزئة المشفرة ثلاث خصائص أساسية: مقاومة التصادم، ومقاومة الصورة الأصلية، ومقاومة الصورة الأصلية الثانية.
يستخدم البيتكوين SHA-256 للتعدين والتحقق من المعاملات وتوليد العناوين، بينما يستخدم الإيثيريوم Keccak-256 لإدارة الحالة وعمليات العقود الذكية.
تظل وظائف التجزئة الحديثة مثل SHA-256 و SHA-3 آمنة ضد تهديدات الحوسبة الكمومية المعروفة، ولا تتطلب سوى أحجام إخراج أكبر بدلاً من خوارزميات جديدة تمامًا.
مقدمة
يشير التجزئة إلى عملية توليد مخرجات ذات حجم ثابت من مدخلات ذات حجم متغير. ويتم ذلك من خلال صيغ رياضية تُعرف باسم دوال التجزئة، والتي تُنفذ كخوارزميات تجزئة.
على الرغم من أن ليس كل دوال التجزئة تعتمد على التشفير، إلا أن دوال التجزئة المشفرة تُعدّ جوهر تقنية البلوك تشين والأمن السيبراني الحديث. وبفضلها، تستطيع سلاسل الكتل والأنظمة الموزعة الأخرى تحقيق مستويات عالية من سلامة البيانات وأمانها. ويُعدّ فهم آلية عمل التجزئة مفيدًا لكل من يهتم بكيفية عمل العملات المشفرة.
كيف تعمل دوال التجزئة
تُنتج دوال التجزئة المختلفة مُخرجات بأحجام مُختلفة، ولكن كل خوارزمية تُنتج دائمًا مُخرجًا ثابت الطول بغض النظر عن حجم المُدخلات. على سبيل المثال، تُنتج خوارزمية SHA-256 دائمًا مُخرجًا بطول 256 بت (64 حرفًا سداسيًا عشريًا)، بينما تُنتج خوارزمية SHA-1 مُلخصًا بطول 160 بت.
من المهم ملاحظة أن التجزئة ليست هي التشفير. التشفير عملية ثنائية الاتجاه، حيث يمكن تشفير البيانات ثم فك تشفيرها إلى شكلها الأصلي باستخدام مفتاح. أما التجزئة فهي عملية أحادية الاتجاه: يمكنك إنتاج قيمة التجزئة من المدخلات، ولكن لا يمكنك عمليًا عكس العملية لاستعادة المدخلات الأصلية من قيمة التجزئة وحدها.
على سبيل المثال، فإن تمرير الكلمتين "Binance" و "binance" عبر SHA-256 ينتج عنه مخرجات مختلفة تمامًا:
ينتج "Binance": f1624fcc63b615ac0e95daf9ab78434ec2e8ffe402144dc631b055f711225191
ينتج برنامج "binance" ما يلي: 59bba357145ca539dcd1ac957abc1ec5833319ddcae7f5e8b5da0c36624784b2
يؤدي تغيير طفيف (كحالة الأحرف الأولى) إلى قيمة تجزئة مختلفة تمامًا. تُعرف هذه الخاصية بتأثير الانهيار، وهي أساسية للأمان. إضافةً إلى ذلك، ستبقى كلتا القيمتين الناتجتين متطابقتين مهما تكررت معالجة الكلمات عبر الخوارزمية، مما يُظهر الطبيعة الحتمية لدوال التجزئة.
تضم عائلة خوارزميات SHA (خوارزميات التجزئة الآمنة) عدة أجيال. لم تعد خوارزميتا SHA-0 وSHA-1 تُعتبران آمنتين بعد اكتشاف حالات تصادم. حاليًا، تُعتبر عائلة SHA-2 (التي تشمل SHA-256 وSHA-512) وعائلة SHA-3 (المبنية على خوارزمية Keccak) فقط آمنتين تشفيرًا.
دوال التجزئة المشفرة
دالة التجزئة المشفرة هي دالة تجزئة تستوفي متطلبات أمان إضافية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات مثل التوقيعات الرقمية، والتحقق من سلامة البيانات، وتوافق الآراء في تقنية البلوك تشين. ويتطلب اختراق هذه الدالة عددًا هائلاً من محاولات الاختراق الشامل.
لكي تعتبر دالة التجزئة المشفرة آمنة، يجب أن تستوفي ثلاث خصائص رئيسية: مقاومة التصادم، ومقاومة الصورة الأصلية، ومقاومة الصورة الأصلية الثانية.
مقاومة التصادم
يحدث التصادم عندما ينتج عن مدخلين مختلفين نفس ناتج التجزئة. تُعتبر دالة التجزئة مقاومة للتصادم عندما يكون إيجاد مثل هذا التصادم غير ممكن حسابيًا، على الرغم من أن التصادمات يجب أن تكون موجودة رياضيًا (لأن مجموعة المدخلات الممكنة لا نهائية بينما تكون المخرجات ذات طول ثابت).
عمليًا، تعني مقاومة التصادم أن الأمر سيستغرق ملايين السنين من الحسابات للعثور على مدخلين ينتجان نفس قيمة التجزئة. يتطلب SHA-256 ما يقارب 2 أس 128 عملية للعثور على تصادم (الحد الأقصى للعمر)، وهو ما يتجاوز بكثير القدرات الحسابية الحالية.
مقاومة الصورة المسبقة
تعني مقاومة الصورة الأصلية أنه عند إعطاء ناتج تجزئة، يستحيل حسابيًا إيجاد أي مدخلات تُنتج هذا الناتج. وهذا ما يجعل دوال التجزئة "أحادية الاتجاه". فالمهاجم الذي يرى التجزئة لا يستطيع تحديد البيانات التي أنتجتها.
تُعد هذه الخاصية ضرورية لتطبيقات مثل تخزين كلمات المرور: يمكن للخدمة تخزين تجزئة كلمة المرور بدلاً من كلمة المرور نفسها، وحتى إذا تم الكشف عن قاعدة بيانات التجزئة، فإن كلمات المرور الأصلية تظل محمية.
مقاومة الصورة الثانية
تعني مقاومة الصورة الثانية أنه عند إعطاء مدخل محدد وقيمته التجزئية، يستحيل إيجاد مدخل مختلف ينتج نفس القيمة التجزئية. ورغم ارتباط هذه الخاصية بمقاومة التصادم، إلا أنها تعالج سيناريو هجوم أكثر استهدافًا.
أي دالة تجزئة مقاومة للتصادم تكون أيضًا مقاومة للصورة العكسية الثانية، لأن إيجاد صورة عكسية ثانية يُعدّ بمثابة إيجاد تصادم. مع ذلك، يمكن أن تكون الدالة مقاومة للصورة العكسية دون أن تكون مقاومة للتصادم.
التجزئة في تقنية البلوك تشين
تُستخدم دوال التجزئة على نطاق واسع في أنظمة البلوك تشين. في بيتكوين، تُؤمّن خوارزمية SHA-256 الشبكة من خلال آلية إثبات العمل، حيث يتعين على المعدنين إيجاد ناتج تجزئة أقل من قيمة مستهدفة محددة. تتطلب هذه العملية جهدًا حسابيًا هائلاً لإتمامها، ولكن التحقق منها سهل للغاية، مما يُنشئ نموذج أمان غير متماثل.
تُستخدم التجزئة أيضًا لإنشاء أشجار ميركل: وهي هياكل بيانات تُجزأ فيها المعاملات بشكل ثنائي حتى تُلخص تجزئة جذرية واحدة كتلة كاملة من المعاملات. وهذا يسمح للعملاء الخفيفين بالتحقق من تضمين معاملة معينة في كتلة دون الحاجة إلى تنزيل جميع بيانات المعاملات.
يستخدم بيتكوين أيضًا التشفير لتوليد العناوين. تتم معالجة المفتاح العام باستخدام خوارزمية SHA-256 متبوعة بخوارزمية RIPEMD-160 لإنتاج تنسيق عنوان أقصر وأسهل في التعامل. يضيف هذا الأسلوب طبقة أمان إضافية ويقلل من حجم البيانات اللازمة للمعاملات.
تستخدم إيثيريوم صيغةً معدلةً تُسمى Keccak-256 (مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمعيار SHA-3) لإدارة الحالة، واختيار وظائف العقود الذكية، وتسجيل الأحداث، واشتقاق العناوين. وتختار كل منصة بلوك تشين وظائف التجزئة بناءً على نموذج الأمان الخاص بها ومتطلبات الأداء.
التعدين ومعدل التجزئة
في تعدين البيتكوين، يكمن التحدي الأساسي في إيجاد مدخلات (عن طريق تغيير قيمة عشوائية في رأس الكتلة) تُنتج تجزئة SHA-256 أقل من عتبة مستهدفة. يتم تعديل هذه العتبة كل 2016 كتلة للحفاظ على متوسط زمن إنشاء الكتلة عند 10 دقائق، بغض النظر عن قوة الحوسبة المتاحة للشبكة. هذا ما يجعل تقنية البلوك تشين آمنة.
يمثل معدل التجزئة إجمالي القدرة الحاسوبية المخصصة للتعدين. اعتبارًا من أوائل عام 2026، تعمل شبكة بيتكوين بمعدل يتراوح بين 800 و900 إكساهاش في الثانية (EH/s)، مما يعني أن المعدنين يقومون مجتمعين بإجراء مئات الكوينتيليونات من عمليات حساب التجزئة كل ثانية.
لا يحتاج عمال التعدين إلى البحث عن التصادمات، بل يكفيهم إيجاد أي مدخلات تُنتج قيمة تجزئة أقل من مستوى الصعوبة المستهدف. ونظرًا لوجود العديد من المخرجات الصحيحة المحتملة، فإن المهمة تتعلق بالإنتاجية الحسابية أكثر من استغلال نقاط الضعف في خوارزمية SHA-256 نفسها.
نظراً لأن تعدين العملات الرقمية مكلف حسابياً، فإن لدى المعدنين حوافز اقتصادية قوية للالتزام بالقواعد بدلاً من محاولة اختراق الشبكة. وكلما زاد عدد المعدنين المشاركين، زادت أمان سلسلة الكتل.
التجزئة في عصر ما بعد الكم
من المخاوف الشائعة إمكانية اختراق الحواسيب الكمومية لوظائف التجزئة المستخدمة في سلاسل الكتل. والإجابة المختصرة: وظائف التجزئة أكثر مقاومة للهجمات الكمومية بكثير من التشفير بالمفتاح العام.
تُوفّر خوارزمية غروفر، وهي الهجوم الكمومي الأكثر أهمية على دوال التجزئة، تسريعًا تربيعيًا فقط. هذا يعني أن دالة تجزئة بطول 256 بت ستُوفّر حوالي 128 بت من الأمان ضدّ مُهاجم كمومي، وهو ما يُعتبر غير قابل للاختراق حسابيًا. وللمقارنة، فإن خوارزميات المفتاح العام المُستخدمة في تقنية البلوك تشين (ECDSA، EdDSA) تُخترق تمامًا بواسطة خوارزمية شور على حاسوب كمومي ذي قدرة كافية.
في أغسطس 2024، نشر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) معيار FIPS 205 (SLH-DSA)، وهو معيار للتوقيع الرقمي قائم على التجزئة ومشتق من SPHINCS+. يعتمد هذا النظام أمنيًا بشكل كامل على قوة دوال التجزئة، مما يمثل تأييدًا مؤسسيًا قويًا بأن SHA-2 وSHA-3 لا تزالان جديرتين بالثقة في عالم ما بعد الحوسبة الكمومية.
يُجمع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) والاتحاد الأوروبي وهيئات المعايير الأخرى، اعتبارًا من عام 2025، على أنه لا حاجة لخوارزميات تجزئة جديدة "ما بعد الكمومية". ومن المتوقع أن تظل خوارزميات SHA-256 وSHA-3 ذات مخرجات 256 بت أو أكبر آمنة في المستقبل المنظور. ويركز الجهد العاجل للانتقال إلى ما بعد الكمومية على استبدال التشفير بالمفتاح العام، وليس دوال التجزئة.
تشفير كلمات المرور واشتقاق المفاتيح
على الرغم من أن خوارزميتي SHA-256 وSHA-3 تُعدّان من أفضل دوال التشفير العامة، إلا أنهما غير مناسبتين لتخزين كلمات المرور. والسبب هو السرعة: فقد صُممت هاتان الخوارزميتان لتكونا سريعتين، مما يعني أن المهاجم الذي يمتلك قاعدة بيانات كلمات مرور مُسرّبة يمكنه تجربة مليارات التخمينات لكلمات المرور في الثانية باستخدام وحدات معالجة الرسومات أو أجهزة متخصصة.
تُعالج وظائف تجزئة كلمات المرور المُخصصة هذه المشكلة من خلال كونها بطيئة عمدًا وتستهلك الكثير من الذاكرة. المعيار المُوصى به حاليًا هو Argon2id، الذي فاز بمسابقة تجزئة كلمات المرور عام 2015. ومن الخيارات الأخرى الشائعة الاستخدام bcrypt وscrypt.
تستخدم هذه الدوال أيضًا "ملحًا" عشوائيًا فريدًا لكل كلمة مرور، مما يمنع المهاجمين من استخدام جداول البحث المُحسوبة مسبقًا (جداول قوس قزح). إن الجمع بين التكلفة الحسابية ومتطلبات الذاكرة والملح يجعل هجمات القوة الغاشمة غير عملية اقتصاديًا حتى عند اختراق قواعد بيانات التجزئة.
التعليمات
ما الفرق بين التجزئة والتشفير؟
التجزئة هي عملية أحادية الاتجاه تُنتج مخرجات ذات حجم ثابت ولا يمكن عكسها. أما التشفير فهو عملية ثنائية الاتجاه، حيث تُحوّل البيانات باستخدام مفتاح، ويمكن فك تشفيرها وإعادتها إلى شكلها الأصلي باستخدام المفتاح نفسه. تُستخدم التجزئة للتحقق من سلامة البيانات ومصداقيتها، بينما يُستخدم التشفير لضمان سريتها.
هل يمكن لمدخلين مختلفين أن ينتجا نفس قيمة التجزئة؟
نعم، هذا ممكن نظريًا ويُسمى تصادمًا. مع ذلك، بالنسبة لدوال التجزئة الآمنة مثل SHA-256، يتطلب إيجاد مثل هذا التصادم ما يقارب 2 أس 128 عملية (حد عيد الميلاد)، وهو أمر غير ممكن حسابيًا بالتقنيات الحالية أو المتوقعة. تُعتبر دوال التجزئة التي ثبت عمليًا حدوث تصادمات فيها، مثل MD5 وSHA-1، معيبة ولا يُنصح باستخدامها لأغراض أمنية.
لماذا يستخدم البيتكوين خوارزمية SHA-256 تحديداً؟
تم اختيار SHA-256 لبيتكوين لأنه يوفر مقاومة قوية للتصادم، ويخضع لتحليل جيد من قبل مجتمع التشفير، وينتج مخرجات بحجم مناسب لتعديل صعوبة إثبات العمل، وكان منتشرًا على نطاق واسع بالفعل عندما تم إطلاق بيتكوين في عام 2009. ولا يزال آمنًا مع عدم وجود هجمات عملية معروفة ضده.
هل تستطيع الحواسيب الكمومية اختراق تشفير سلسلة الكتل؟
لا تشكل الحواسيب الكمومية خطراً يُذكر على دوال التجزئة. تستطيع خوارزمية غروفر تسريع عمليات البحث عن التجزئة باستخدام القوة الغاشمة، ولكن بنسبة جذر تربيعي فقط: فتجزئة 256 بت ستوفر 128 بت من الأمان الكمومي، وهو مستوى يُعتبر آمناً. يكمن التهديد الكمومي الحقيقي لسلاسل الكتل في أنظمة التوقيع بالمفتاح العام (ECDSA)، وليس في دوال التجزئة.
ما هي دالة التجزئة التي يستخدمها إيثيريوم؟
تستخدم إيثيريوم خوارزمية Keccak-256، وهي قريبة الصلة بمعيار SHA-3 الصادر عن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، ولكنها تستخدم حشوًا مختلفًا بعض الشيء. تُستخدم هذه الخوارزمية لاشتقاق العناوين، وتوليد مفاتيح شجرة الحالة، ومحددات وظائف العقود الذكية، وتجزئة مواضيع الأحداث. ومثل SHA-256، لا توجد هجمات عملية معروفة على Keccak-256، وتُعتبر آمنة تشفيريًا.
الخاتمة
تُعدّ دوال التجزئة لبنات أساسية في علوم الحاسوب الحديثة والأمن السيبراني. وعند دمجها مع خصائص التشفير مثل مقاومة التصادم ومقاومة الصورة المسبقة، فإنها تُتيح ضمانات الأمان التي تجعل شبكات البلوك تشين ممكنة.
من تعدين البيتكوين إلى العقود الذكية على منصة إيثيريوم وصولاً إلى أنظمة التوقيع ما بعد الكمومية، لا تزال تقنية التجزئة تُشكّل ركيزة أساسية. إن فهم كيفية عمل دوال التجزئة، وخصائصها الأمنية الجوهرية، وتطبيقاتها العملية، يُساعد كل مهتم بتقنية البلوك تشين على إدراك سبب اعتبار هذه الأنظمة آمنة.
للمزيد من القراءة
ما هي خوارزمية الإجماع في تقنية البلوك تشين؟
ما هو البيتكوين وكيف يعمل؟
إثبات العمل (PoW) مقابل إثبات الحصة (PoS)
مبادئ الأمن العامة
مقدمة إلى لغة برمجة بيتكوين
إخلاء المسؤولية: يُقدَّم هذا المحتوى لكم "كما هو" لأغراض المعلومات العامة والتعليمية فقط، دون أي ضمانات أو تعهدات من أي نوع. لا ينبغي اعتباره نصيحة مالية أو قانونية أو أي نصيحة مهنية أخرى، كما أنه لا يُقصد به التوصية بشراء أي منتج أو خدمة محددة. عليكم استشارة مستشارين متخصصين مؤهلين. في حال مساهمة طرف ثالث في المحتوى، يُرجى العلم بأن الآراء الواردة فيه تخص ذلك الطرف الثالث، ولا تعكس بالضرورة آراء أكاديمية باينانس. قد تكون أسعار الأصول الرقمية متقلبة. قد تنخفض قيمة استثماركم أو ترتفع، وقد لا تستردون المبلغ المستثمر. أنتم وحدكم المسؤولون عن قراراتكم الاستثمارية، وأكاديمية باينانس غير مسؤولة عن أي خسائر قد تتكبدونها. لمزيد من المعلومات، يُرجى الاطلاع على شروط الاستخدام، وتحذير المخاطر، وشروط أكاديمية باينانس.