Kernaussagen

  • Hashing ist der Prozess, jede Eingabe in eine Ausgabe fester Größe umzuwandeln – mithilfe einer mathematischen Funktion. Es ist grundlegend für Kryptowährungen und die Blockchain-Technologie.

  • Kryptografische Hashfunktionen müssen drei grundlegende Eigenschaften erfüllen: Kollisionsresistenz, Vorabbildresistenz (Preimage Resistance) und Widerstand gegen Zweitvorbilder (Second-Preimage Resistance).

  • Bitcoin verwendet SHA-256 für Mining, Transaktionsverifizierung und Adresserzeugung, während Ethereum Keccak-256 für die Zustandsverwaltung und Smart-Contract-Operationen nutzt.

  • Moderne Hashfunktionen wie SHA-256 und SHA-3 bleiben gegenüber bekannten Bedrohungen durch Quantencomputing sicher und erfordern lediglich größere Ausgabengrößen statt völlig neuer Algorithmen.

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Einführung

Hashing bezeichnet den Prozess, aus einer Eingabe variabler Größe eine Ausgabe fester Größe zu erzeugen. Das geschieht mithilfe mathematischer Formeln, die als Hashfunktionen bekannt sind und als Hashing-Algorithmen implementiert werden.

Obwohl nicht alle Hashfunktionen eine Verschlüsselung beinhalten, stehen kryptografische Hashfunktionen im Zentrum der Blockchain-Technologie und der modernen Cybersicherheit. Dank ihnen können Blockchains und andere verteilte Systeme ein hohes Maß an Datenintegrität und Sicherheit erreichen. Zu verstehen, wie Hashing funktioniert, ist für alle hilfreich, die verstehen möchten, wie Kryptowährungen funktionieren.

Wie Hashfunktionen funktionieren

Verschiedene Hashfunktionen erzeugen Ausgaben unterschiedlicher Größe, aber jeder Algorithmus erzeugt stets eine Ausgabe fester Länge – unabhängig von der Größe der Eingabe. So erzeugt beispielsweise SHA-256 immer eine 256-Bit-Ausgabe (64 Zeichen hexadezimal), während SHA-1 einen 160-Bit-Digest erzeugt.

Wichtig ist, dass Hashing nicht dasselbe ist wie Verschlüsselung. Verschlüsselung ist ein zweistufiger Prozess, bei dem Daten verschlüsselt und anschließend mit einem Schlüssel wieder in ihre ursprüngliche Form entschlüsselt werden können. Hashing ist eine Einwegfunktion: Sie können den Hash aus einer Eingabe erzeugen, aber Sie können den Prozess praktisch nicht umkehren, um die ursprüngliche Eingabe allein aus dem Hash wiederherzustellen.

Zur Veranschaulichung: Wenn Sie die Wörter „Binance“ und „binance“ durch SHA-256 laufen lassen, ergeben sich vollständig unterschiedliche Ausgaben:

  • „Binance“ ergibt: f1624fcc63b615ac0e95daf9ab78434ec2e8ffe402144dc631b055f711225191

  • „binance“ ergibt: 59bba357145ca539dcd1ac957abc1ec5833319ddcae7f5e8b5da0c36624784b2

Eine kleine Änderung (die Schreibweise des ersten Buchstabens) führt zu einem vollständig anderen Hashwert. Diese Eigenschaft heißt Avalanche-Effekt und ist grundlegend für die Sicherheit. Zudem bleiben beide Ausgaben immer gleich, egal wie oft die Wörter durch den Algorithmus verarbeitet werden, was die deterministische Natur von Hashfunktionen zeigt.

Die SHA-Familie von Algorithmen (Secure Hash Algorithms) umfasst mehrere Generationen. SHA-0 und SHA-1 gelten heute nicht mehr als sicher, weil Kollisionen gefunden wurden. Gegenwärtig gelten nur noch die SHA-2-Familie (die SHA-256 und SHA-512 umfasst) und die SHA-3-Familie (basierend auf dem Keccak-Algorithmus) als kryptografisch sicher.

Kryptografische Hashfunktionen

Eine kryptografische Hashfunktion ist eine Hashfunktion, die zusätzliche Sicherheitsanforderungen erfüllt, wodurch sie sich für Anwendungen wie digitale Signaturen, die Verifizierung der Datenintegrität und Blockchain-Konsens eignet. Das Brechen einer solchen Funktion erfordert eine enorme Anzahl von Brute-Force-Versuchen.

Damit eine kryptografische Hashfunktion als sicher gilt, muss sie drei zentrale Eigenschaften erfüllen: Kollisionsresistenz, Vorabbildresistenz und Widerstand gegen Zweitvorbilder.

Kollisionsresistenz

Eine Kollision tritt auf, wenn zwei verschiedene Eingaben dieselbe Hashausgabe erzeugen. Eine Hashfunktion gilt als kollisionsresistent, wenn es rechnerisch nicht machbar ist, eine solche Kollision zu finden, obwohl Kollisionen mathematisch existieren müssen (da die Menge der möglichen Eingaben unendlich ist, während die Ausgaben feste Länge haben).

In der Praxis bedeutet Kollisionsresistenz, dass es Millionen von Jahren Rechenzeit bräuchte, um zwei Eingaben zu finden, die denselben Hash erzeugen. SHA-256 benötigt ungefähr 2 bis zur 128. Potenz Operationen, um eine Kollision zu finden (Birthday Bound) – weit jenseits aktueller Rechenfähigkeiten.

Vorabbildresistenz

Vorabbildresistenz bedeutet, dass es rechnerisch nicht machbar ist, zu einer gegebenen Hashausgabe irgendeine Eingabe zu finden, die diese Ausgabe erzeugt. Genau das macht Hashfunktionen zu „Einweg“-Funktionen. Ein Angreifer, der einen Hash sieht, kann nicht bestimmen, welche Daten ihn erzeugt haben.

Diese Eigenschaft ist für Anwendungen wie das Speichern von Passwörtern essenziell: Ein Dienst kann den Hash eines Passworts speichern, statt das Passwort selbst. Und selbst wenn die Hashdatenbank offengelegt wird, bleiben die ursprünglichen Passwörter geschützt.

Widerstand gegen Zweitvorbilder

Widerstand gegen Zweitvorbilder bedeutet, dass es nicht machbar ist, ein anderes Eingabeargument zu finden, das denselben Hash erzeugt, wenn ein bestimmtes Eingabeargument und sein Hash gegeben sind. Obwohl dies mit Kollisionsresistenz verwandt ist, bezieht sich diese Eigenschaft auf ein gezielteres Angriffsszenario.

Jede Hashfunktion, die kollisionsresistent ist, ist auch widerstandsfähig gegen Zweitvorbilder, da das Auffinden eines Zweitvorbilds das Auffinden einer Kollision bedeuten würde. Allerdings kann eine Funktion vorabbildresistent sein, ohne kollisionsresistent zu sein.

Hashing in der Blockchain

Hashfunktionen werden in Blockchain-Systemen häufig eingesetzt. In Bitcoin sichert SHA-256 das Netzwerk durch Proof of Work (Arbeitsnachweis): Miner müssen dabei einen Hash-Ausgabewert finden, der unter einem bestimmten Zielwert liegt. Dieser Prozess erfordert enormen Rechenaufwand, ist aber trivial zu verifizieren, wodurch ein asymmetrisches Sicherheitsmodell entsteht.

Hashing wird außerdem verwendet, um Merkle-Bäume zu konstruieren: Datenstrukturen, in denen Transaktionen paarweise gehasht werden, bis ein einzelner Wurzel-Hash die gesamte Blockmenge an Transaktionen zusammenfasst. So können Lightweight-Clients verifizieren, dass eine bestimmte Transaktion in einem Block enthalten ist, ohne alle Transaktionsdaten herunterladen zu müssen.

Bitcoin nutzt Hashing außerdem für die Adresserzeugung. Ein öffentlicher Schlüssel wird durch SHA-256 verarbeitet, gefolgt von RIPEMD-160, um ein kürzeres, besser handhabbares Adressformat zu erzeugen. Dieser Ansatz fügt eine zusätzliche Sicherheitsebene hinzu und reduziert die Datenmenge, die für Transaktionen benötigt wird.

Ethereum verwendet eine Variante namens Keccak-256 (eng verwandt mit dem SHA-3-Standard) für die Zustandsverwaltung, Smart-Contract-Funktionsselektoren, die Ereignisprotokollierung und die Adableitung. Jede Blockchain-Plattform wählt Hashfunktionen basierend auf ihrem spezifischen Sicherheitsmodell und ihren Leistungsanforderungen aus.

Mining und Hash-Rate

Beim Bitcoin-Mining besteht die Kernaufgabe darin, eine Eingabe zu finden (indem ein Nonce-Wert im Blockheader variiert wird), die einen SHA-256-Hash unterhalb einer Zielschwelle erzeugt. Das Ziel wird alle 2.016 Blöcke angepasst, um eine durchschnittliche Blockzeit von 10 Minuten aufrechtzuerhalten – unabhängig davon, wie viel Rechenleistung das Netzwerk hat. Genau das macht die Blockchain sicher.

Die Hash-Rate steht für die gesamte Rechenleistung, die dem Mining gewidmet ist. Anfang 2026 arbeitet das Bitcoin-Netzwerk mit ungefähr 800 bis 900 Exahashes pro Sekunde (EH/s). Das bedeutet, dass Miner kollektiv in jeder Sekunde Hunderte von Billionen (Quintillions) an Hashberechnungen durchführen.

Miner müssen keine Kollisionen finden. Sie müssen lediglich irgendeine Eingabe finden, die einen Hash unterhalb des aktuellen Schwierigkeitsziels erzeugt. Da es viele mögliche gültige Ausgaben gibt, geht es eher um rechnerischen Durchsatz als darum, Schwächen in SHA-256 selbst auszunutzen.

Da Mining rechnerisch teuer ist, haben Miner starke wirtschaftliche Anreize, die Regeln einzuhalten, statt zu versuchen, das Netzwerk anzugreifen. Je mehr Miner teilnehmen, desto sicherer wird die Blockchain.

Hashing im Post-Quantum-Zeitalter

Ein häufiges Anliegen ist, ob Quantencomputer die in Blockchains verwendeten Hashfunktionen brechen könnten. Die kurze Antwort: Hashfunktionen sind viel widerstandsfähiger gegen Quantenangriffe als Public-Key-Kryptografie.

Der relevanteste Quantenangriff auf Hashfunktionen ist der Algorithmus von Grover. Er bietet jedoch nur eine quadratische Beschleunigung. Das bedeutet, dass eine 256-Bit-Hashfunktion einem Quantenadversary ungefähr 128 Bit Sicherheit bieten würde – was weiterhin als rechnerisch nicht durchführbar gilt. Zum Vergleich: Die Public-Key-Algorithmen, die in Blockchains verwendet werden (ECDSA, EdDSA), sind durch Shors Algorithmus auf einem ausreichend leistungsfähigen Quantencomputer vollständig gebrochen.

Im August 2024 veröffentlichte das NIST FIPS 205 (SLH-DSA), einen Hash-basierten digitalen Signaturstandard, der von SPHINCS+ abgeleitet ist. Dieses Schema baut seine Sicherheit vollständig auf der Stärke von Hashfunktionen auf. Das ist ein starkes institutionelles Signal dafür, dass SHA-2 und SHA-3 auch in einer post-quantum Welt weiterhin vertrauenswürdig bleiben.

Der Konsens seitens NIST, der EU und anderer Standardisierungsgremien ist (Stand 2025) eindeutig: Es besteht keine Notwendigkeit für neue „post-quantum Hash“-Algorithmen. SHA-256 und SHA-3 mit 256-Bit-Ausgaben oder größer werden voraussichtlich auch in absehbarer Zeit sicher bleiben. Der dringende Migrationsaufwand im Post-Quantum-Kontext konzentriert sich auf das Ersetzen von Public-Key-Kryptografie, nicht von Hashfunktionen.

Passwort-Hashing und Schlüsselableitung

Obwohl SHA-256 und SHA-3 ausgezeichnete kryptografische Hashfunktionen für allgemeine Zwecke sind, eignen sie sich nicht zur Speicherung von Passwörtern. Der Grund ist die Geschwindigkeit: Diese Funktionen sind darauf ausgelegt, schnell zu sein, wodurch ein Angreifer mit Zugriff auf eine geleakte Passwortdatenbank Milliarden von Passwortversuchen pro Sekunde mit GPUs oder spezialisierter Hardware testen kann.

Speziell für das Passwort-Hashing entwickelte Funktionen lösen dieses Problem, indem sie absichtlich langsam und speicherintensiv sind. Der derzeit empfohlene Standard ist Argon2id, das 2015 den Password Hashing Competition gewonnen hat. Weitere häufig verwendete Optionen sind bcrypt und scrypt.

Diese Funktionen verwenden außerdem für jedes Passwort ein einzigartiges zufälliges „Salt“, das verhindert, dass Angreifer vorab berechnete Nachschlagetabellen (Rainbow Tables) nutzen. Die Kombination aus Rechenaufwand, Speicheranforderungen und Salt macht Brute-Force-Angriffe wirtschaftlich unpraktisch, selbst wenn Hash-Datenbanken kompromittiert wurden.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen Hashing und Verschlüsselung?

Hashing ist eine Einwegfunktion, die eine Ausgabe fester Größe erzeugt und nicht zurückgerechnet werden kann. Verschlüsselung ist ein zweistufiger Prozess, bei dem Daten mithilfe eines Schlüssels umgewandelt und anschließend mit dem entsprechenden Schlüssel wieder in ihre ursprüngliche Form entschlüsselt werden können. Hashing wird zur Integritätsprüfung und Authentifizierung verwendet, während Verschlüsselung zur Vertraulichkeit eingesetzt wird.

Können zwei verschiedene Eingaben denselben Hash erzeugen?

Ja, das ist theoretisch möglich und wird als Kollision bezeichnet. Bei sicheren Hashfunktionen wie SHA-256 erfordert das Auffinden einer solchen Kollision jedoch ungefähr 2 bis zur 128. Potenz Operationen (Birthday Bound). Das ist mit aktueller oder absehbarer Technologie rechnerisch nicht durchführbar. Hashfunktionen, bei denen Kollisionen praktisch nachgewiesen wurden, wie MD5 und SHA-1, gelten als gebrochen und sollten nicht für Sicherheitszwecke verwendet werden.

Warum verwendet Bitcoin speziell SHA-256?

SHA-256 wurde für Bitcoin ausgewählt, weil es einen starken Kollisionsschutz bietet, von der Kryptografie-Community gut untersucht wurde, Ausgaben einer geeigneten Größe liefert, um die Proof-of-Work-Schwierigkeit anzupassen, und bereits weit verbreitet war, als Bitcoin 2009 startete. Es ist weiterhin sicher, und es sind keine bekannten praktischen Angriffe gegen SHA-256 bekannt.

Können Quantencomputer das Hashing in Blockchains brechen?

Quantencomputer stellen für Hashfunktionen ein minimales Risiko dar. Der Algorithmus von Grover kann Brute-Force-Suchen nach Hashes beschleunigen, jedoch nur um einen quadratischen Wurzelfaktor: Ein 256-Bit-Hash würde dennoch 128 Bit Quanten-Sicherheit liefern, was als sicher gilt. Die eigentliche Quantenbedrohung für Blockchains betrifft die Public-Key-Signaturschemata (ECDSA) – nicht die Hashfunktionen.

Welche Hashfunktion verwendet Ethereum?

Ethereum nutzt Keccak-256, das eng mit dem NIST-SHA-3-Standard verwandt ist, aber leicht unterschiedliche Padding-Regeln verwendet. Es wird für die Adableitung, die Generierung von Schlüsseln für State-Tries, Smart-Contract-Funktionsselektoren und die Hash-Berechnung von Ereignis-Themen verwendet. Wie SHA-256 hat auch Keccak-256 keine bekannten praktischen Angriffe und gilt als kryptografisch sicher.

Abschließende Gedanken

Hashfunktionen sind essenzielle Bausteine der modernen Informatik und der Cybersicherheit. In Kombination mit kryptografischen Eigenschaften wie Kollisionsresistenz und Vorabbildresistenz ermöglichen sie die Sicherheitsgarantien, die Blockchain-Netzwerke überhaupt erst möglich machen.

Vom Bitcoin-Mining über Ethereum-Smart-Contracts bis hin zu post-quantum Signaturschemata bleibt Hashing eine grundlegende Technologie. Zu verstehen, wie Hashfunktionen funktionieren, welche zentralen Sicherheits-eigenschaften sie besitzen und wo sie in der Praxis eingesetzt werden, hilft jedem, der sich für Blockchain-Technologie interessiert, zu begreifen, warum diese Systeme als sicher gelten.

Weiterführende Lektüre

  • Was ist ein Blockchain-Konsensalgorithmus?

  • Was ist Bitcoin und wie funktioniert es?

  • Proof of Work (PoW) vs. Proof of Stake (PoS)

  • Allgemeine Sicherheitsprinzipien

  • Eine Einführung in Bitcoin Script

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