Was ist ein Hashing-Algorithmus?

Definition und Kernfunktionalität

1. Ein Hashing-Algorithmus ist eine mathematische Funktion, die eine Eingabe beliebiger Länge entgegennimmt und eine Zeichenfolge fester Größe, typischerweise hexadezimale Ziffern, erzeugt.

2. Diese Ausgabe wird als Hash-Wert oder Digest bezeichnet und dient als eindeutiger digitaler Fingerabdruck für die Originaldaten.

3. Selbst eine geringfügige Änderung der Eingabe – beispielsweise die Änderung eines einzelnen Bits – führt aufgrund des Lawineneffekts zu einem völlig anderen Hash.

4. Hashing-Algorithmen sind deterministisch: Die gleiche Eingabe liefert unter identischen Bedingungen immer die gleiche Ausgabe.

5. Sie sind als Einwegfunktionen konzipiert, was bedeutet, dass es rechnerisch nicht möglich ist, die ursprüngliche Eingabe aus ihrem Hash zurückzuentwickeln.

Rolle im Blockchain-Konsens

1. In Proof-of-Work-Blockchains wie Bitcoin konkurrieren Miner darum, eine Nonce zu finden, die in Kombination mit den Blockdaten einen Hash erzeugt, der bestimmte Kriterien erfüllt – normalerweise beginnend mit einer definierten Anzahl führender Nullen.

2. Der Schwierigkeitsgrad dieses Rätsels wird regelmäßig angepasst, um konsistente Blockintervalle aufrechtzuerhalten, wodurch die Netzwerksicherheit direkt mit dem Rechenaufwand verknüpft wird.

3. Jeder Block-Header enthält den Hash des vorherigen Blocks und bildet so eine unveränderliche Kette, in der Manipulationen an einem vorherigen Block alle nachfolgenden Hashes ungültig machen.

4. SHA-256 bleibt der grundlegende Hash-Algorithmus für die Block-Header-Berechnung von Bitcoin und die Merkle-Baum-Konstruktion.

5. Litecoin verwendet Scrypt, während Ethereum ursprünglich Ethash verwendete – eine speicherfeste Variante, die in den Anfangsjahren der ASIC-Dominanz widerstehen sollte.

Kryptografische Sicherheitseigenschaften

1. Der Pre-Image-Widerstand stellt sicher, dass es bei einem gegebenen Hash-Wert h unmöglich ist, eine Eingabe m zu finden, für die hash(m) = h gilt.

2. Der zweite Vorbildwiderstand garantiert, dass es bei gegebener Eingabe m₁ rechnerisch nicht möglich ist, eine andere Eingabe m₂ zu finden, wobei Hash(m₁) = Hash(m₂).

3. Kollisionsresistenz bedeutet, dass es äußerst schwierig ist, zwei unterschiedliche Eingaben m₁ und m₂ zu finden, deren Hash-Werte identisch sind.

4. Diese Eigenschaften verhindern gemeinsam, dass böswillige Akteure unbemerkt Transaktionen fälschen, Blöcke ersetzen oder den Ledger-Verlauf manipulieren.

5. Schwächen in Hashing-Algorithmen – wie beispielsweise nachgewiesene Kollisionen in MD5 und SHA-1 – haben dazu geführt, dass sie in Blockchain-Kontexten, in denen Integrität nicht verhandelbar ist, nicht mehr unterstützt werden.

Implementierung in der Wallet-Adressgenerierung

1. Aus der Elliptischen-Kurven-Kryptographie abgeleitete öffentliche Schlüssel durchlaufen mehrere Hashing-Schritte – typischerweise SHA-256 gefolgt von RIPEMD-160 –, um Bitcoin Adressen zu generieren.

2. Dieses Double-Hashing reduziert die Adressgröße und erhöht gleichzeitig die Sicherheit gegen bestimmte kryptografische Angriffe, die auf Single-Hash-Konstruktionen abzielen.

3. Die Base58Check-Kodierung fügt eine Prüfsumme hinzu, um Tippfehler zu erkennen, wenn Adressen manuell eingegeben oder weitergegeben werden.

4. Segregated Witness (SegWit) führte die Bech32-Kodierung ein, die intern SHA-256 verwendet, aber eine andere Fehlererkennungslogik anwendet, die für die menschliche Lesbarkeit und die Verwendung von QR-Codes optimiert ist.

5. Ethereum-Adressen überspringen RIPEMD-160, verlassen sich ausschließlich auf das Keccak-256-Hashing des öffentlichen Schlüssels, nehmen dann die letzten 20 Bytes und wenden eine Hexadezimalkodierung mit Prüfsummenregeln an.

Häufig gestellte Fragen

Q1. Können zwei verschiedene Transaktionen denselben Hash erzeugen? Bei sicheren Hashing-Algorithmen, die in Produktions-Blockchains verwendet werden, ist die Kollisionswahrscheinlichkeit vernachlässigbar – aus praktischen Gründen praktisch Null –, aber mathematisch gesehen nicht unmöglich.

Q2. Warum nutzen Blockchains keine Verschlüsselung statt Hashing? Verschlüsselung impliziert Reversibilität und Vertraulichkeit; Blockchains priorisieren Transparenz und Unveränderlichkeit – Hashing sorgt für überprüfbare Integrität, ohne Daten zu verbergen.

Q3. Ist Hashing dasselbe wie Mining? Nein. Beim Mining werden Blockdaten wiederholt mit unterschiedlichen Nonces gehasht, bis ein gültiges Proof-of-Work-Ziel erreicht ist. Hashing ist lediglich der Rechenvorgang innerhalb dieses Prozesses.

Q4. Unterbricht Quantencomputing aktuelle Hashing-Algorithmen? Quantencomputer kehren kryptografische Hashes nicht effizient um, obwohl Grovers Algorithmus theoretisch die Brute-Force-Suchzeit verkürzen könnte – was längere Ausgabelängen anstelle eines vollständigen Ersatzes erfordert.