Một số hàm phổ biến
MD5
MD5 được Ronald Rivest thiết kế vào năm 1991 để thay thế hàm băm MD4 trước đó và được đưa thành tiêu chuẩn vào năm 1992 trong RFC 1321. MD5 tạo ra một bản tóm tắt có kích thước 128 bit (16 byte). Tuy nhiên, đến đầu những năm 2000 thì hàm băm MD5 trở lên không an toàn trước sức mạnh tính toán của các hệ thống tính toán thế hệ mới. Với sức mạnh tính toàn và sự phát triển của công nghệ thám mã thời gian gần đây, chúng ta có thể tính toán các va chạm trong MD5 với độ phức tạp 2^21, phép toán chỉ trong vòng vài giây khiến thuật toán không phù hợp với hầu hết các trường hợp sử dụng trong thực tế.
SHA-1
SHA-1, viết tắt của Secure Hash Algorithm, được phát triển như một phần của dự án Capstone của Chính phủ Hoa Kỳ. Phiên bản đầu tiên, thường được gọi là SHA-0 được xuất bản năm 1993 với tiêu đề Secure Hash Standard, FIPS PUB 180, bởi NIST (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ). Nó đã bị NSA rút lại ngay sau khi xuất bản và được thay thế bởi phiên bản sửa đổi, được xuất bản năm 1995 trong FIPS PUB 180-1 và thường được đặt tên là SHA-1. SHA-1 tạo ra bản tóm tắt có kích thước 160 bit (20 byte). Các va chạm chống lại thuật toán SHA-1 đầy đủ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng tấn công phá vỡ. Do đó, hàm băm này cho đến nay được coi là không đủ an toàn.
SHA-2
SHA-2 là một tập hợp các hàm băm mật mã được thiết kế bởi Cơ quan an ninh quốc gia Hoa Kỳ (NSA), được xuất bản lần đầu tiên vào năm 2001. Chúng được xây dựng bằng cấu trúc Merkle–Damgård, chức năng nén một chiều của nó được xây dựng bằng cấu trúc Davies–Meyer từ một hệ mật mã khối chuyên dụng.
Ứng dụng của Hash
Hashing nói chung và hàm băm mật mã nói riêng có rất nhiều ứng dụng khác nhau trong thực tế. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến nhất của nó:
Hashing trong định danh tệp hoặc dữ liệu
Giá trị băm cũng có thể được sử dụng như một phương tiện để định danh tập tin một cách đáng tin cậy. Một số hệ thống quản lý mã nguồn, như Git, Mercurial hay Monotone, sử dụng giá trị sha1sum của nội dung tệp, cây thư mục, thông tin thư mục gốc, v.v. để định danh chúng.
Giá trị băm cũng được sử dụng để xác định các tệp trên các mạng chia sẻ tệp ngang hàng nhằm cung cấp đầy đủ thông tin để định vị nguồn gốc của tệp, xác minh nội dung tệp tải xuống. Giá trị ứng dụng của chúng còn được mở rộng ra khi áp dụng các cấu trúc dữ liệu bổ sung như danh sách băm hoặc cây băm (Merkle Tree).
Tuy nhiên, so với các hàm băm tiêu chuẩn, các hàm băm mật mã có xu hướng phức tạp và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn nhiều. Do đó, chúng có xu hướng được sử dụng trong các trường hợp khi người dùng cần tự bảo vệ tính an toàn cho thông điệp trước các khả năng bị sửa đổi, hay giả mạo như các ứng dụng ở dưới đây:
Hashing trong xác minh tính toàn vẹn của thông điệp hoặc tập tin
Một ứng dụng quan trọng nhất của hashing là xác minh tính toàn vẹn của thông điệp.Chúng ta khá quen thuộc với các ứng dụng này. Khi download một phần mềm hoặc tệp tin nào đó trên một số trang web, ta được cung cấp kèm theo các mã băm MD5 hoặc SHA1. Khi đó sau khi tải về tập tin, chúng ta có thể tính và so sánh giá trị băm của tệp tải về với giá trị băm được cung cấp trên web, nếu có sự sai khác tức là tệp tin chúng ta tải về đã bị sửa đổi.
Hashing trong tạo và xác nhận chữ ký
Hầu như tất cả các lược đồ chữ ký số đều yêu cầu tính toán bản tóm lược của thông điệp bằng các hàm băm mật mã. Điều này cho phép việc tính toán và tạo chữ ký được thực hiện trên một khối dữ liệu có kích thước tương đối nhỏ và cố định thay vì trên toàn bộ văn bản dài. Tính chất toàn vẹn thông điệp của hàm băm mật mã được sử dụng để tạo các lược đồ chữ ký số an toàn và hiệu quả.
Hashing trong xác minh mật khẩu
Việc xác minh mật khẩu thường dựa vào các hàm băm mật mã. Mật khẩu người dùng nếu được dưới dạng bản rõ có thể dẫn đến những lỗ hổng bảo mật nghiêm trọng khi tệp mật khẩu bị xâm phạm. Do đó, để làm giảm nguy cơ này, chúng ta thường chỉ lưu trữ giá trị băm của mỗi mật khẩu. Để xác thực người dùng, mật khẩu do người dùng nhập vào được băm và so sánh với giá trị băm được lưu trữ tương ứng. Mật khẩu ban đầu không thể được tính toán lại từ giá trị băm được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
Các hàm băm mật mã tiêu chuẩn được thiết kế để được tính toán nhanh chóng và do đó, có thể thử dò đoán mật khẩu với tốc độ cực cao. Các đơn vị xử lý đồ họa (GPU) thông thường có thể thử đoán hàng tỷ mật khẩu có thể mỗi giây. Do đó, để tăng tính án toàn, các hàm băm mật khẩu thực hiện việc mở rộng khóa – chẳng hạn như PBKDF2, scrypt hoặc Argon2 – thường sử dụng các lệnh gọi lặp lại của hàm băm mật mã để tăng thời gian (và trong một số trường hợp bộ nhớ máy tính) cần thiết để thực hiện các cuộc tấn công vét cạn lên giá trị băm của mật khẩu được lưu trữ. Việc hashing mật khẩu yêu cầu sử dụng một giá trị muối (salt) ngẫu nhiên, có thể được lưu trữ với hàm băm mật khẩu. Giá trị salt làm ngẫu nhiên hóa đầu ra của hàm băm mật khẩu, khiến đối thủ không thể lưu trữ các bảng mật khẩu và các giá trị băm được tính toán trước.
Đầu ra của hàm băm mật khẩu cũng có thể được sử dụng làm các khóa mật mã. Do đó, các hàm băm mật khẩu còn được gọi là các Hàm dẫn xuất khóa dựa trên mật khẩu (PBKDF).
Hashing và Bằng chứng công việc (Proof of Work)
Bằng chứng công việc (Proof of Work) là một biện pháp kinh tế để ngăn chặn các cuộc tấn công từ chối dịch vụ và các hành vi lạm dụng dịch vụ khác như spam bằng cách yêu cầu người dùng dịch vụ thực hiện một số công việc nhất định, thường đòi hỏi nhiều thời gian xử lý. Bằng chứng công việc cần đảm bảo tính bất đối xứng tức là: công việc phải có độ khó vừa phải (nhưng khả thi) về phía người dùng nhưng dễ kiểm chứng đối với nhà cung cấp dịch vụ.
Hệ thống Proof of Work đầu tiên được đề xuất là Hashcash. Hashcash sử dụng quá trình hashing như một phần để chứng minh rằng công việc đã được thực hiện nhằm cho phép gửi email đi, tránh các email spam. Công việc trung bình mà người dùng cần thực hiện để tìm thư hợp lệ cấp số nhân với số bit 0 cần thiết trong giá trị băm, trong khi người nhận có thể xác minh tính hợp lệ của email chỉ bằng cách thực hiện một phép tính băm duy nhất. Trong Hashcash, người gửi được yêu cầu tạo một tiêu đề có giá trị băm SHA-1 160 bit trong đó có 20 bit đầu tiên là bit 0. Khi đó, người gửi trung bình sẽ phải thử khoảng
lần để tìm ra tiêu đề hợp lệ trước khi gửi đi.
Hệ thống này được thừa kế trong Bitcoin, nền tảng blockchain đầu tiên. Việc tính các giá trị băm giúp mở khóa phần thưởng khai thác trong Bitcoin. Các thành viên trong mạng được yêu cầu tìm một giá trị sao cho sự kết hợp của nó với thông điệp gốc (tập hợp các giao dịch) có giá trị băm bắt đầu bằng một số bit không (xác định bởi độ khó của việc khai thác và được điều chỉnh thường xuyên bằng phần mềm).
Hashing trong blockchain
Một số hàm băm mật mã đang được sử dụng rộng rãi như đã kể ở trên:SHA 256 hiện đang được sử dụng bởi Bitcoin.Keccak-256 hiện đang được Ethereum sử dụng.
Các hàm băm này không những được sử dụng để tạo ra bằng chứng công việc (Proof of Work) mà còn để làm định danh cho các khối, hoặc kết hợp với mật mã khóa công khai để tạo ra định danh cho người dùng trên mạng.
Ứng dụng hashing trong xây dựng các thành phần nguyên thuỷ mật mã khác
Các hàm băm cũng có thể được sử dụng để xây dựng các thành phần nguyên thuỷ mật mã khác.
Đầu tiên, hàm băm có thể được sử dụng để xây dựng các mã xác thực thông điệp (MAC) (còn được gọi là hàm băm có khóa) như HMAC.
Hàm băm cũng có thể được sử dụng để xây dựng các hệ mật mã khối. Các cấu trúc Luby-Rackoff được xây dựng sử dụng các hàm băm và dựa trên độ an toàn của hàm băm.
Trình tạo số giả ngẫu nhiên (PRNG) cũng có thể được xây dựng dựa trên các hàm băm. Điều này được thực hiện bằng cách kết hợp một mầm ngẫu nhiên (bí mật) với một bộ đếm và tiến hành băm nó.
Một số hàm băm, chẳng hạn như Skein, Keccak và RadioGatún tạo ra một luồng dài tùy ý và có thể được sử dụng trong các hệ mật mã dòng.
Ý nghĩa của Hash trong Blockchain
Xương sống của một loại tiền điện tử là blockchain của nó, là một sổ cái toàn cầu được hình thành bằng cách liên kết các khối dữ liệu giao dịch riêng lẻ với nhau. Blockchain chỉ chứa các giao dịch được xác thực, giúp ngăn chặn các giao dịch gian lận và chi tiêu gấp đôi tiền tệ. Quá trình xác nhận dựa trên dữ liệu được mã hóa bằng cách sử dụng băm thuật toán. Giá trị được mã hóa kết quả là một chuỗi các số và chữ cái không giống với dữ liệu gốc và được gọi là hàm băm. Khai thác tiền điện tử liên quan đến việc làm việc với hàm băm này.
Băm yêu cầu xử lý dữ liệu từ một khối thông qua hàm toán học, dẫn đến kết quả đầu ra có độ dài cố định. Sử dụng đầu ra có độ dài cố định sẽ tăng tính bảo mật, vì bất kỳ ai đang cố gắng giải mã hàm băm không thể cho biết đầu vào dài hay ngắn chỉ bằng cách nhìn vào độ dài của đầu ra. Hàm được sử dụng để tạo hàm băm có tính xác định, nghĩa là nó sẽ tạo ra cùng một kết quả mỗi lần sử dụng cùng một đầu vào; có thể tạo ra một đầu vào băm hiệu quả; làm cho việc xác định đầu vào khó khăn (dẫn đến khai thác); và thực hiện các thay đổi nhỏ đối với kết quả đầu vào trong hàm băm rất khác nhau.
Việc xử lý các hàm băm cần thiết để mã hóa các khối mới đòi hỏi sức mạnh xử lý đáng kể của máy tính, có thể tốn kém. Để lôi kéo các cá nhân và công ty, được gọi là người khai thác, đầu tư vào công nghệ cần thiết, các mạng tiền điện tử thưởng cho họ cả token tiền điện tử mới và phí giao dịch. Công cụ khai thác chỉ được bù nếu chúng là người đầu tiên tạo ra hàm băm đáp ứng các yêu cầu được đặt ra trong hàm băm đích.
Giải quyết hàm băm về cơ bản là giải quyết một vấn đề toán học phức tạp và bắt đầu với dữ liệu có sẵn trong tiêu đề khối. Mỗi tiêu đề khối chứa một số phiên bản, dấu thời gian, hàm băm được sử dụng trong khối trước đó, hàm băm của Merkle Root, nonce và băm đích. Công cụ khai thác tập trung vào nonce, một chuỗi số. Số này được gắn vào nội dung được băm của khối trước đó, sau đó chính nó được băm. Nếu hàm băm mới này nhỏ hơn hoặc bằng hàm băm mục tiêu, thì nó được chấp nhận làm giải pháp, người khai thác được trao phần thưởng và khối được thêm vào blockchain.
Việc giải hàm băm yêu cầu người khai thác xác định chuỗi nào sẽ sử dụng làm chuỗi không, chính nó yêu cầu một số lượng đáng kể thử và sai. Điều này là do nonce là một chuỗi ngẫu nhiên. Rất khó có khả năng một người khai thác sẽ thành công với lần đầu tiên chính xác trong lần thử đầu tiên, có nghĩa là người khai thác có thể kiểm tra một số lượng lớn các tùy chọn nonce trước khi thực hiện đúng. Độ khó càng lớn – thước đo mức độ khó để tạo ra một hàm băm đáp ứng yêu cầu của hàm băm mục tiêu – càng mất nhiều thời gian để tạo ra một giải pháp.
Nguồn: kulturbench.com
