Wat is een hash?

In de context van computerwetenschappen en programmeren is een hash (ook bekend als hashcode, hashwaarde of berichtsamenvatting) een numerieke representatie met een vaste grootte van invoergegevens van willekeurige grootte. Zie het als een vingerafdruk voor een stukje data.

Het proces van het genereren van een hash wordt hashing genoemd , en het wordt uitgevoerd door een hash-functie .

Belangrijkste kenmerken van hashfuncties:

* Deterministisch: Voor dezelfde invoergegevens zal de hashfunctie altijd dezelfde hashwaarde produceren.

* Enkele reis (idealiter): Het zou computationeel onhaalbaar moeten zijn om de hashfunctie om te keren om de oorspronkelijke invoer uit de hashwaarde te bepalen. (Dit is belangrijker voor cryptografische hashfuncties.)

* Uitvoer met vast formaat: Ongeacht de grootte van de invoergegevens genereert de hashfunctie een hashwaarde van een specifieke, vooraf bepaalde grootte (bijvoorbeeld 32 bits, 64 bits, 256 bits).

* Botsweerstand (idealiter): Een goede hashfunctie moet de kans minimaliseren dat verschillende inputs dezelfde hashwaarde produceren (een "botsing"). Hoewel botsingen onvermijdelijk zijn, zouden ze zeldzaam moeten zijn.

Analogie:

Stel je voor dat je een document hebt (de invoergegevens). Een hashfunctie is als een machine die dat document samenvat in een korte samenvatting van vaste lengte (de hashwaarde). De samenvatting zou moeten zijn:

* Consistent: Hetzelfde document levert altijd dezelfde samenvatting op.

* Uniek (zoveel mogelijk): Verschillende documenten zouden idealiter verschillende samenvattingen moeten opleveren.

* Onomkeerbaar (idealiter): U kunt het originele document niet opnieuw creëren alleen op basis van de samenvatting.

Hoe hashes worden gebruikt bij het programmeren

Hashes hebben talloze toepassingen in programmeren en datastructuren:

1. Gegevensstructuren (hashtabellen/hashkaarten):

*Dit is het meest voorkomende gebruik. Hashtabellen worden gebruikt voor het efficiënt opslaan en ophalen van gegevens op basis van sleutels.

* Hoe het werkt: Een hashfunctie zet de sleutel om in een index (hashwaarde) binnen een array. De waarde die aan de sleutel is gekoppeld, wordt in die index opgeslagen.

* Voordelen: Biedt een zeer snelle opzoeking van gemiddelde gevallen (O(1)-complexiteit) omdat de index rechtstreeks op basis van de sleutel wordt berekend.

* Voorbeeld: Woordenboeken in Python, kaarten in Java, objecten als associatieve arrays in JavaScript.

```python

Python-woordenboek (een hashtabelimplementatie)

my_dict ={"appel":1, "banaan":2, "sinaasappel":3}

print(my_dict["apple"]) # Toegang tot waarde met behulp van de sleutel "apple" - O(1) gemiddelde tijd

```

2. Verificatie van gegevensintegriteit:

* Hashes kunnen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat er tijdens de verzending of opslag niet met gegevens is geknoeid.

* Hoe het werkt: Bereken de hash van de gegevens voordat u deze verzendt of opslaat. Bereken later de hash opnieuw en vergelijk deze met de oorspronkelijke hashwaarde. Als de hashes overeenkomen, zijn de gegevens waarschijnlijk ongewijzigd.

* Voorbeeld: Checksums, verificatie van de bestandsintegriteit bij softwaredownloads, het detecteren van beschadigde gegevens in databases.

```python

hashlib importeren

data ="Dit zijn mijn gegevens."

hash_object =hashlib.md5(data.encode()) #encode converteert de string naar bytes

md5_hash =hash_object.hexdigest()

print(f"MD5-hash:{md5_hash}")

```

3. Wachtwoordopslag:

*Het rechtstreeks opslaan van wachtwoorden in een database vormt een veiligheidsrisico. Hashes worden gebruikt om een ​​eenrichtingsweergave van het wachtwoord op te slaan.

* Hoe het werkt: Wanneer een gebruiker een account aanmaakt, wordt het wachtwoord gehasht (meestal met een "salt" - een willekeurige reeks die aan het wachtwoord wordt toegevoegd voordat het wordt gehasht). De hash wordt opgeslagen, niet het daadwerkelijke wachtwoord. Wanneer de gebruiker inlogt, wordt het ingevoerde wachtwoord ook gehasht (met dezelfde salt) en de resulterende hash wordt vergeleken met de opgeslagen hash.

* Voordelen: Zelfs als de database is gehackt, kunnen aanvallers de wachtwoorden niet rechtstreeks achterhalen.

* Beveiligingsoverwegingen: Moderne algoritmen voor het hashen van wachtwoorden (zoals bcrypt, scrypt en Argon2) zijn opzettelijk traag en gebruiken salts om ze bestand te maken tegen brute-force-aanvallen en regenboogtafelaanvallen.

```python

bcrypt importeren

wachtwoord =b"mijn_geheim_wachtwoord" # Wachtwoord als bytes

Genereer een zout

zout =bcrypt.gensalt()

Hash het wachtwoord met de salt

hashed_password =bcrypt.hashpw(wachtwoord, zout)

print(f"Gehasht wachtwoord:{hashed_password}")

Om het wachtwoord later te verifiëren:

enter_password =b"mijn_geheime_wachtwoord"

if bcrypt.checkpw(ingevoerd_wachtwoord, gehasht_wachtwoord):

print("Wachtwoord komt overeen!")

anders:

print("Wachtwoord komt niet overeen.")

```

4. Caching:

* Hashes kunnen worden gebruikt om cachesleutels te maken voor het opslaan van de resultaten van dure berekeningen.

* Hoe het werkt: De invoerparameters voor een functie (of de status van een systeem) worden gehasht en de hashwaarde wordt gebruikt als sleutel in een cache (zoals een hashtabel). Als dezelfde invoer opnieuw wordt aangetroffen, kan het in de cache opgeslagen resultaat direct worden opgehaald, waardoor herberekening wordt vermeden.

* Voorbeeld: Memoisatie, cachen van veelgebruikte gegevens in webapplicaties.

5. Gegevensontdubbeling:

* Hashes kunnen worden gebruikt om dubbele gegevensitems te identificeren.

* Hoe het werkt: Wanneer nieuwe gegevens moeten worden opgeslagen, wordt de hash berekend. Als de hash al bestaat in een database met bekende hashes, zijn de gegevens waarschijnlijk duplicaat en kunnen ze worden overgeslagen (of slechts één keer worden opgeslagen).

* Voorbeeld: Opslagsystemen, diensten voor het delen van bestanden.

6. Bloomfilters:

* Probabilistische datastructuren die hashing gebruiken om te testen of een element lid is van een set. Bloom-filters kunnen valse positieven hebben (ze zeggen misschien dat een element in de set zit terwijl dat niet het geval is), maar ze hebben nooit valse negatieven (ze zullen nooit zeggen dat een element niet in de set zit als dat wel het geval is).

7. Cryptografie:

* Cryptografische hashfuncties (SHA-256, SHA-3, enz.) worden gebruikt voor verschillende beveiligingsdoeleinden, waaronder:

* Digitale handtekeningen:een hash van een document maken en vervolgens de hash coderen met een privésleutel.

* Berichtauthenticatiecodes (MAC's):het creëren van een hash die afhankelijk is van een geheime sleutel, die wordt gebruikt om zowel de integriteit als de authenticiteit te verifiëren.

* Cryptocurrencies:Hashing is van fundamenteel belang voor blockchain-technologie voor het creëren van blokken en het verifiëren van transacties.

Gemeenschappelijke hashfuncties

Er zijn veel verschillende hashfuncties. Hier zijn een paar voorbeelden:

* MD5 (Berichtoverzicht 5): (Verouderd voor beveiligingsgevoelige toepassingen omdat deze kwetsbaar zijn voor botsingen). Genereert een 128-bits hash.

* SHA-1 (veilig hash-algoritme 1): (Ook verouderd voor beveiligingsgevoelige applicaties vanwege kwetsbaarheden). Genereert een 160-bits hash.

* SHA-2 (veilig hash-algoritme 2): Een familie van hashfuncties, waaronder SHA-256 (256-bit hash), SHA-384 (384-bit hash) en SHA-512 (512-bit hash). Over het algemeen als veiliger beschouwd dan MD5 en SHA-1.

* SHA-3 (veilig hash-algoritme 3): Een andere familie van hashfuncties gekozen in een NIST-wedstrijd. Biedt een ander ontwerp dan SHA-2.

* bcrypt, scrypt, Argon2: Algoritmen voor het hashen van wachtwoorden die zijn ontworpen om langzaam te zijn en bestand tegen aanvallen. Dit zijn geen generieke hashfuncties; ze zijn specifiek bedoeld voor wachtwoordopslag.

* MurmurHash, FNV-hash: Niet-cryptografische hashfuncties die vaak worden gebruikt voor hashtabelimplementaties waarbij snelheid belangrijk is.

Belangrijke overwegingen

* Botsingen: Botsingen zijn onvermijdelijk, vooral als het om grote datasets gaat. Goede hashtabelimplementaties hebben strategieën voor het oplossen van botsingen (bijvoorbeeld afzonderlijke ketens, open adressering) om botsingen efficiënt af te handelen.

* Hash-functiekeuze: De keuze voor de hashfunctie is afhankelijk van de toepassing. Gebruik voor beveiligingsgevoelige toepassingen cryptografische hashfuncties. Kies voor hashtabellen een hashfunctie die de sleutels gelijkmatig over de tabel verdeelt om botsingen te minimaliseren.

* Beveiliging: Als u hashes gebruikt voor beveiliging (wachtwoordopslag, gegevensintegriteit), gebruik dan krachtige, moderne cryptografische hashfuncties (bcrypt, Argon2, SHA-256, SHA-3) en de juiste salting-technieken. Vermijd het gebruik van MD5 of SHA-1 om veiligheidsredenen.

* Prestaties: Hash-functies variëren in hun prestaties. Profileer uw code om te bepalen of het hash-proces een knelpunt is en kies een geschikte hash-functie voor uw behoeften.

Samenvattend is een hash een waardevol hulpmiddel bij het programmeren en biedt het een manier om gegevens weer te geven in een compact formaat met een vaste grootte voor efficiënte gegevensstructuren, integriteitscontroles, beveiliging en diverse andere toepassingen. Het kiezen van de juiste hashfunctie en het effectief omgaan met botsingen zijn belangrijk voor het bereiken van optimale prestaties en veiligheid.