ما هو التجزئة؟

التجزئة تشير إلى عملية توليد مخرج بحجم ثابت استنادًا إلى مدخل بحجم متغير. يتم ذلك من خلال صيغ رياضية تعرف باسم الدوال التجزئة ( المطبقة كخوارزميات التجزئة ).

على الرغم من أن جميع وظائف التجزئة لا تتضمن التشفير، فإن ما يسمى بوظائف التجزئة التشفيرية تعتبر أساسية في عالم الكريبتو. بفضلها، تتمكن شبكات البلوكتشين وأنظمة أخرى موزعة من تحقيق مستويات كبيرة من نزاهة البيانات وأمانها، وهو شيء أجد شخصياً أنه مثير للإعجاب.

تكون وظائف التجزئة التقليدية والتشفيرية حتمية. وهذا يعني أنه طالما أن المدخلات لا تتغير، سيقوم الخوارزم دائمًا بإنتاج نفس المخرجات ( المعروفة أيضًا باسم الملخص أو التجزئة ). يبدو لي أنه من المدهش كيف أن شيئًا معقدًا جدًا يمكن أن يكون متوقعًا جدًا.

تُصمم خوارزميات التجزئة في العملات المشفرة كوظائف أحادية الاتجاه، مما يعني أنه لا يمكن عكسها بسهولة دون موارد حسابية هائلة. من السهل جدًا إنشاء المخرجات من المدخلات، ولكن من المستحيل تقريبًا فعل العكس. بشكل عام، كلما كان من الأصعب العثور على المدخل، كانت الخوارزمية أكثر أمانًا. وصدقوني، بعض هذه الخوارزميات تعتبر عمليًا منيعة.

كيف تعمل وظيفة التجزئة؟

تنتج وظائف التجزئة المختلفة مخرجات بأحجام مختلفة، لكن أحجام المخرجات لكل خوارزمية ثابتة دائمًا. على سبيل المثال، يمكن أن ينتج SHA-256 مخرجات بحجم 256 بت فقط، بينما سيولد SHA-1 دائمًا ملخصًا بحجم 160 بت.

لتوضيح ذلك، دعنا ننفذ الكلمات "Binance" و "binance" من خلال خوارزمية SHA-256 ( المستخدمة في Bitcoin).

SHA-256 مدخل: Binance انتاج |: f1624fcc63b615ac0e95daf9ab78434ec2e8ffe402144dc631b055f711225191

إدخال: binance الإخراج: 59bba357145ca539dcd1ac957abc1ec5833319ddcae7f5e8b5da0c36624784b2

هل ترى كيف أن تغيير صغير (الحرف الأول إلى حرف كبير) يؤدي إلى تجزئة مختلفة تمامًا؟ أنا مفتون بهذه الحساسية. ولكن باستخدام SHA-256، ستكون المخرجات دائمًا بحجم ثابت يبلغ 256 بت (64 حرفًا) بغض النظر عن حجم المدخلات.

من ناحية أخرى، إذا قمنا بتنفيذ نفس المدخلات عبر SHA-1، نحصل على:

SHA-1 مدخل: Binance انتاج |: 7f0dc9146570c608ac9d6e0d11f8d409a1ee6ed1

دخول: binance انتاج |: e58605c14a76ff98679322cca0eae7b3c4e08936

SHA تعني خوارزميات التجزئة الآمنة، في إشارة إلى مجموعة من وظائف التجزئة المشفرة التي تشمل SHA-0 وSHA-1 وSHA-2 وSHA-3. SHA-256 ينتمي إلى مجموعة SHA-2. في الوقت الحالي، تعتبر فقط SHA-2 وSHA-3 آمنة، مما يجعلني أتساءل لماذا لا تزال بعض الأنظمة تستخدم الخوارزميات القديمة.

لماذا هم مهمون؟

تستخدم وظائف التجزئة التقليدية في عدة مجالات: البحث في قواعد البيانات، تحليل الملفات الكبيرة، وإدارة البيانات. أما وظائف التجزئة المشفرة، فهي تستخدم على نطاق واسع في أمن المعلومات، مصادقة الرسائل، والتعريف الرقمي. في بيتكوين، تعتبر أساسية للتعدين وتوليد العناوين والمفاتيح.

تظهر القوة الحقيقية للتجزئة مع كميات كبيرة من المعلومات. يمكنك تشغيل ملف ضخم من خلال دالة تجزئة واستخدام ناتجها للتحقق بسرعة من دقة وسلامة البيانات. هذا يلغي الحاجة إلى تخزين و"تذكر" كميات كبيرة من المعلومات، وهو شيء أعتبره رائعًا في بساطته.

التجزئة مفيدة بشكل خاص في blockchain. تحتوي سلسلة Bitcoin على العديد من العمليات التي تتضمن التجزئة، principalmente في التعدين. تعتمد تقريباً جميع بروتوكولات التشفير على التجزئة لربط المعاملات في الكتل وإنشاء روابط تشفيرية بينها، مما يشكل فعليًا blockchain.

وظائف التجزئة التشفيرية

يمكن تعريف وظيفة التجزئة التي تنفذ تقنيات التشفير على أنها وظيفة تجزئة تشفيرية. يتطلب كسر واحدة من هذه الوظائف اختبارات لا نهائية من القوة الغاشمة. من أجل "عكس" وظيفة تجزئة تشفيرية، يحتاج شخص ما إلى تخمين الإدخال عن طريق التجربة والخطأ حتى يتم إنتاج المخرجات المطابقة. ومع ذلك، هناك احتمال أن تنتج مدخلات مختلفة نفس المخرج بالضبط، مما يتسبب في "تصادم".

تقنيًا، يجب أن تتبع دالة التجزئة التشفيرية ثلاث خصائص لتعتبر آمنة:

• مقاومة الاصطدامات: من المستحيل العثور على مدخلين مختلفين ينتجان نفس التجزئة
• مقاومة ما قبل الصورة: من المستحيل "عكس" وظيفة التجزئة
• مقاومة ما قبل الصورة الثانية: من المستحيل العثور على إدخال آخر يتصادم مع إدخال محدد

مقاومة التصادمات

تحدث الاصطدامات عندما تنتج مدخلات مختلفة نفس التجزئة بالضبط. تعتبر دالة التجزئة مقاومة للاصطدامات حتى يجد شخص ما واحدة. ستظل هناك اصطدامات دائمًا لأي دالة تجزئة لأن المدخلات الممكنة لا نهائية، بينما المخرجات محدودة.

وظيفة التجزئة مقاومة للاصطدامات عندما تكون احتمالية العثور على اصطدام منخفضة لدرجة أنها ستتطلب ملايين السنين من الحسابات. لم تعد SHA-0 و SHA-1 آمنة لأنه تم العثور على اصطدامات. حاليًا، تعتبر SHA-2 و SHA-3 مقاومة للاصطدامات.

مقاومة للصور السابقة

هذه الخاصية مرتبطة بمفهوم الدوال أحادية الاتجاه. تعتبر وظيفة التجزئة مقاومة للصور السابقة عندما تكون هناك احتمالية ضئيلة جدًا لأن يجد شخص ما الإدخال الذي نتج عنه مخرج معين.

هذه الخاصية قيمة لحماية البيانات لأن التجزئة البسيطة يمكن أن تثبت مصداقية الرسالة دون الكشف عن المعلومات. العديد من مزودي الويب يخزنون تجزئات كلمات المرور بدلاً من كلمات المرور النصية العادية، وهو شيء يجب أن يفعله الجميع، في رأيي.

مقاومة الصورة الثانية

يحدث هجوم ما قبل الصورة الثاني عندما يجد شخص ما إدخالًا معينًا ينتج نفس المخرج لإدخال معروف آخر. يتضمن العثور على تصادم، ولكن من خلال البحث عن إدخال ينتج نفس التجزئة لإدخال معين آخر.

أي دالة تجزئة مقاومة للاصطدامات تكون أيضًا مقاومة لهجمات الصورة الثانية. ومع ذلك، لا يزال من الممكن تنفيذ هجوم على الصورة الأولى على دالة مقاومة للاصطدامات.

التعدين

تتضمن عملية تعدين البيتكوين العديد من عمليات التجزئة: التحقق من الأرصدة، ربط المدخلات والمخرجات للمعاملات، وتجزيء المعاملات داخل كتلة لتشكيل شجرة ميركل. لكن ما يضمن حقًا سلسلة كتل البيتكوين هو أن المعدنين يجب عليهم إجراء عمليات تجزئة لا حصر لها للعثور على حل صالح للكتلة التالية.

يجب على المُعدّن تجربة عدة مدخلات مختلفة عند إنشاء قيمة التجزئة لكتلته المرشحة. لن يتمكن من التحقق من كتلته إلا إذا قام بتوليد تجزئة تبدأ بعدد معين من الأصفار. هذا العدد يحدد صعوبة التعدين ويختلف حسب معدل التجزئة المخصص للشبكة.

يُمثل التجزئة مقدار القدرة الحاسوبية المستثمرة في التعدين. إذا زادت، سيقوم بروتوكول البيتكوين بضبط الصعوبة تلقائيًا للحفاظ على متوسط زمن التعدين عند حوالي 10 دقائق. إذا توقف عدة معدنين عن التعدين، ستنخفض الصعوبة.

لا يحتاج المُعدِّنون إلى العثور على تصادمات لأن هناك عدة تجزئات (hashes) صالحة ( التي تبدأ بعدد معين من الأصفار ). هناك حلول متعددة ممكنة لكتلة معينة، ويحتاج المُعدِّنون فقط إلى العثور على واحدة.

نظرًا لأن التعدين مكلف، ليس لدى المعدنين دافع لخداع النظام، حيث سيتسبب ذلك في خسائر مالية كبيرة. كلما زاد عدد المعدنين في سلسلة الكتل، أصبحت الشبكة أقوى.

لا شك أن وظائف التجزئة هي أدوات أساسية في علوم الكمبيوتر، خاصة مع كميات كبيرة من البيانات. عند دمجها مع التشفير، توفر الأمان والمصادقة بعدة طرق. إنها حيوية تقريبًا لجميع الشبكات المشفرة، لذا فإن فهم خصائصها وآلياتها مفيد لأي شخص مهتم بالبلوك تشين.