Fundamentos da hash: como esta tecnologia funciona e por que é tão importante para o blockchain

A hash é uma tecnologia fundamental que está na base da blockchain, das criptomoedas e da segurança digital. Se você está interessado em como a confiabilidade das transações nas exchanges de criptomoedas é garantida ou o que torna a blockchain resistente a fraudes, a resposta está precisamente nas funções de hash. Neste artigo, vamos examinar detalhadamente os princípios de funcionamento do hash, seu papel na indústria cripto e a aplicação prática nas tecnologias modernas.

O que é hashing: conceitos principais

A hashificação é um processo criptográfico que transforma dados de entrada de comprimento arbitrário (texto, arquivo ou transação) em uma string de comprimento fixo, chamada de hash ou código hash. Este processo é realizado através de um algoritmo matemático — função de hash. O hash resultante, embora pareça um conjunto aleatório de caracteres (por exemplo, 5f4dcc3b5aa765d61d8327deb882cf99), na verdade é um identificador único dos dados originais.

A hash pode ser comparado a uma impressão digital — permite verificar rapidamente a autenticidade da informação sem revelar seu conteúdo. Quando você envia criptomoeda, o hash garante a integridade da transação e proteção contra alterações não autorizadas.

Propriedades chave do hash

• Unilateralidade (irreversibilidade): É matematicamente impossível recuperar os dados originais a partir do hash, o que o torna ideal para proteger informações confidenciais.
• Determinismo: Um mesmo conjunto de dados de entrada sempre gera um hash idêntico ao usar a mesma função de hash.
• Efeito Avalanche: Mesmo uma mínima alteração nos dados de entrada (, por exemplo, a substituição de uma letra ) resulta em um hash completamente diferente.
• Comprimento fixo da saída: Independentemente do volume de dados de entrada, o hash tem sempre o mesmo comprimento para um algoritmo específico.
• Resistência a colisões: A probabilidade de que dois conjuntos de dados diferentes gerem o mesmo hash é extremamente baixa.

Princípios de funcionamento das funções hash

A função hash é um algoritmo que transforma dados de entrada de qualquer comprimento em uma string de saída de comprimento fixo. O processo de hash inclui várias etapas técnicas.

O processo de hash

1. Pré-processamento: Os dados de entrada são divididos em blocos de tamanho fixo.
2. Inicialização: A função hash começa a operar a partir de um estado inicial predefinido.
3. Transformação Iterativa: Cada bloco de dados é processado sequencialmente utilizando operações matemáticas.
4. Formação do resultado: Após o processamento de todos os blocos, forma-se o hash final.

Exemplo de funcionamento da função hash SHA-256

Vamos considerar como funciona o popular algoritmo SHA-256 em um exemplo concreto:

• Dados de entrada: "Hello World"
• Resultado da hash (SHA-256): a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e

Se alterar o texto original apenas por um símbolo:

• Novos dados de entrada: "Hello World!"
• Novo hash (SHA-256): 7f83b1657ff1fc53b92dc18148a1d65dfc2d4b1fa3d677284addd200126d9069

Como podemos ver, os resultados diferem completamente, apesar da mínima alteração nos dados de entrada — esta é uma demonstração clara do efeito avalanche.

Algoritmos modernos de hash

Neste momento, diversas funções de hash estão sendo utilizadas na indústria de criptomoedas, cada uma com suas características:

• MD5 (128 bits): Um algoritmo historicamente popular, mas obsoleto, com vulnerabilidades comprovadas.
• SHA-1 (160 bits): Anteriormente amplamente utilizado, mas considerado inseguro desde 2005.
• SHA-256 (256 bits): Parte da família SHA-2, aplicada no Bitcoin, Ethereum e outros projetos de blockchain.
• SHA-3 (comprimento variável): O mais recente padrão, caracterizado por maior segurança e resistência a computação quântica.
• BLAKE2/BLAKE3: Algoritmos de alto desempenho que combinam velocidade e segurança.

Hashing em blockchain e criptomoedas

A hash é uma tecnologia fundamental para toda a arquitetura de blockchain e sistemas de criptomoedas. Sem funções de hash confiáveis, os blockchains modernos seriam inviáveis.

Estrutura da blockchain e hash

A blockchain é uma cadeia de blocos, cada um dos quais contém:

1. Dados de transações: Registros de transferências, contratos inteligentes, etc.
2. Hash do bloco atual: Identificador único de todo o conteúdo do bloco.
3. Hash do bloco anterior: Elemento de ligação que garante a integridade da cadeia.

Essa estrutura cria uma conexão criptograficamente segura entre os blocos:

Bloco N-1 → Hash(N-1) → é incluído no Bloco N → Hash(N) → é incluído no Bloco N+1

Se um invasor tentar alterar os dados no bloco N-1, o hash desse bloco será alterado, o que quebrará a ligação com o bloco N, tornando a falsificação evidente.

Árvore de Merkle

Para otimizar o processo de verificação de transações na blockchain, utiliza-se uma estrutura de dados chamada árvore de Merkle:

1. Hashes de transações individuais são combinados em pares e hashados.
2. Os hashes resultantes são novamente hashados em pares.
3. O processo continua até obter um único hash raiz (Merkle Root).

Isto permite verificar de forma eficaz se uma determinada transação está contida em um bloco, sem a necessidade de carregar todos os dados.

Mineração e prova de trabalho (Proof-of-Work)

Em blockchains com o mecanismo Proof-of-Work (, por exemplo, Bitcoin ), a hashagem está na base do processo de mineração:

1. Os mineradores formam um bloco com transações.
2. Adicionam um número aleatório (nonce).
3. Calculam o hash do bloco.
4. O objetivo é encontrar um valor nonce tal que o hash atenda a certos requisitos (, por exemplo, comece com um determinado número de zeros ).

Este processo requer enormes capacidades de computação, o que protege a rede de ataques e permite alcançar consenso sobre o estado da blockchain.

Aplicação prática de hash

Hashing é utilizado não apenas no blockchain, mas também em muitas outras áreas de segurança digital e processamento de dados.

Verificação da integridade dos arquivos

Ao baixar arquivos importantes ou atualizações de software, a hash garante que o arquivo não foi corrompido ou substituído:

1. O desenvolvedor publica o hash de referência do arquivo ( geralmente SHA-256).
2. Após o carregamento, o utilizador calcula o hash do arquivo recebido.
3. Se os hashes coincidirem, o arquivo é idêntico ao original.

Armazenamento seguro de senhas

Sistemas de autenticação modernos nunca armazenam senhas em texto claro:

1. Ao registrar, a senha é hashada (normalmente com a adição de sal — dados aleatórios).
2. Na base de dados é gravado apenas o hash.
3. Nos acessos subsequentes, a senha inserida é hashada e comparada com o hash da base de dados.

Isto garante proteção mesmo no caso de comprometimento da base de dados, uma vez que o invasor obtém apenas hashes, e não as senhas originais.

Assinaturas digitais

Hashing é um componente chave dos sistemas de assinaturas digitais:

1. O documento é hashado para criar a sua "impressão".
2. O hash é criptografado com a chave privada do remetente.
3. O destinatário decifra a assinatura com a chave pública e compara o hash obtido com o que calculou por conta própria.

Se os hashes coincidirem, o documento foi realmente assinado pelo proprietário da chave privada e não foi alterado.

Segurança de hash em exchanges de criptomoedas

As exchanges de criptomoedas utilizam sistemas complexos de hash para garantir a segurança dos fundos e dados dos usuários.

Proteção de transações

Cada transação nas modernas exchanges de criptomoedas passa por vários níveis de verificação utilizando hash:

1. Verificação de autenticidade: Transações são hashadas e assinadas para confirmar o remetente.
2. Verificação da integridade: A hash garante que os dados da transação não foram alterados.
3. Autenticação de dois fatores: Os códigos 2FA também são baseados em algoritmos de hash.

Prova de reservas

As bolsas modernas utilizam tecnologias criptográficas para a confirmação transparente das suas reservas:

1. Os ativos da exchange são hashados usando a árvore de Merkle.
2. Os usuários podem verificar a inclusão de seus saldos no hash geral.
3. Isso permite confirmar a solvência da exchange sem divulgar informações confidenciais.

Armazenamento seguro de chaves privadas

Para proteger os ativos de criptomoeda, as exchanges aplicam sistemas de armazenamento em múltiplas camadas:

1. Armazenamentos Frios: As chaves privadas são armazenadas em dispositivos desconectados da internet.
2. Multisig: Para realizar transações, são necessárias assinaturas de várias chaves.
3. Geração hierárquica de chaves determinísticas: Uso de funções de hash para criar uma hierarquia de chaves a partir de uma chave mestre.

Restrições e vulnerabilidades de hash

Apesar da alta segurança, as funções de hash têm certas limitações e vulnerabilidades potenciais.

Colisões de hash

Uma colisão ocorre quando duas sequências de dados de entrada diferentes produzem o mesmo hash. De acordo com o princípio do "paradoxo do aniversário", a probabilidade de colisões é maior do que se poderia esperar intuitivamente:

• Para uma função hash com uma saída de n bits, a probabilidade de colisão torna-se significativa após aproximadamente 2^(n/2) operações.
• Para MD5 (128 bits), teoricamente são necessários cerca de 2^64 dados de entrada diferentes para uma alta probabilidade de colisão.

Ataques a funções hash

1. Força bruta (permutação): Busca por dados de entrada que resultam em um hash específico.
2. Ataque de "aniversário": Procura de duas entradas diferentes com o mesmo hash.
3. Tabelas Arco-Íris: Tabelas de hash pré-calculadas para senhas comuns.
4. Ataques por canal lateral: Análise das características físicas do sistema (tempo de computação, consumo de energia) para obter informações sobre o hash.

Ameaças quânticas

Com o desenvolvimento dos computadores quânticos, surgem novas ameaças para os sistemas criptográficos modernos:

• O algoritmo de Grover pode teoricamente acelerar a busca por um pré-imagem de hash em 2 vezes de 2^n para 2^(n/2().
• Isso pode exigir um aumento no comprimento dos hashes utilizados no futuro.

Tendências atuais em tecnologias de hash

Atualmente, é possível destacar várias tendências importantes no desenvolvimento de funções hash:

) Criptografia pós-quântica

Estão a ser desenvolvidos novos algoritmos de hash, resistentes a ataques com o uso de computadores quânticos:

• Aumento do tamanho do hash para compensar a aceleração dos algoritmos quânticos.
• Novas bases matemáticas para funções hash, resistentes à computação quântica.

Hashing eficiente

Criam-se funções de hash, que requerem