Wat is een hash?

In de informatica is dit een hash (ook wel een hashcode genoemd , hashwaarde , of hashsom ) is een numerieke weergave met een vaste grootte van een willekeurige hoeveelheid gegevens. Het is als een vingerafdruk of digitale handtekening voor een stukje informatie.

Belangrijke eigenschappen van een hash:

* Uitvoer met vast formaat: Ongeacht de grootte van de invoergegevens produceert de hashfunctie altijd een uitvoer met een specifieke, vooraf gedefinieerde lengte (bijvoorbeeld 256 bits, 160 bits).

* Deterministisch: Dezelfde invoer produceert altijd dezelfde hash-uitvoer. Dit is cruciaal voor consistentie en betrouwbaarheid.

* Botsweerstand (idealiter): Het zou uiterst moeilijk moeten zijn om twee verschillende inputs te vinden die dezelfde hash-output produceren (een "botsing"). Terwijl een perfecte botsingsweerstand in de praktijk onmogelijk is (vanwege het duiventilprincipe), minimaliseren goede hashfuncties de kans op botsingen.

* Eénrichtingsfunctie (idealiter): Het zou computationeel onhaalbaar moeten zijn om de hashfunctie om te keren, wat betekent dat je de oorspronkelijke invoergegevens niet kunt bepalen op basis van de hashwaarde. Dit is belangrijk voor beveiligingstoepassingen.

Beschouw het als volgt:

Stel je voor dat je een machine hebt (de hash-functie) die elk object (de invoergegevens) neemt en een uniek label met een vaste grootte (de hash-waarde) voor dat object produceert. De labels zijn veel korter dan de objecten zelf.

Hoe hashes worden gebruikt bij computerprogrammering:

Hashes hebben talloze toepassingen in computerprogrammering, waaronder:

1. Hashtabellen (woordenboeken, kaarten):

* Doel: Hashtabellen zijn een fundamentele datastructuur die wordt gebruikt voor het efficiënt opslaan en ophalen van gegevens op basis van sleutel-waardeparen.

* Hoe het werkt:

* De sleutel wordt doorgegeven aan een hashfunctie.

* De hash-functie berekent een hash-waarde (een geheel getal) op basis van de sleutel.

* Deze hashwaarde wordt gebruikt als index in een array (de hashtabel).

* De overeenkomstige waarde wordt bij die index opgeslagen.

* Voordelen: Biedt gemiddelde O(1)-complexiteit (constante tijd) voor invoeg-, verwijder- en opzoekbewerkingen, waardoor het ongelooflijk snel is voor het zoeken en ophalen van gegevens.

* Voorbeeld:

```python

my_dict ={} # Een leeg woordenboek (hashtabel)

my_dict["apple"] =1 # Voeg "apple" in als sleutel en 1 als waarde

mijn_dict["banaan"] =2

print(my_dict["apple"]) # Uitvoer:1 (snel opzoeken)

```

2. Gegevensintegriteit (controlesommen):

* Doel: Om te verifiëren dat gegevens niet zijn beschadigd tijdens verzending of opslag.

* Hoe het werkt:

* Bereken de hash van een bestand of datablok vóór verzending/opslag.

* Bereken de hash opnieuw na verzending/ophalen.

* Vergelijk de twee hashwaarden. Als ze overeenkomen, zijn de gegevens waarschijnlijk intact.

* Voorbeelden:

* Bestandsdownloads:MD5- en SHA-256-controlesommen worden vaak verstrekt om de integriteit van gedownloade bestanden te verifiëren.

* Netwerkprotocollen:Foutdetectie- en correctiemechanismen maken gebruik van checksums op basis van hash-functies.

* Waarom het nuttig is: Een enkele bitverandering in de invoergegevens zal resulteren in een dramatisch andere hashwaarde.

3. Cryptografie:

* Wachtwoordopslag: In plaats van wachtwoorden rechtstreeks op te slaan, slaan systemen de hash van het wachtwoord op. Op deze manier worden, zelfs als de database gecompromitteerd is, de daadwerkelijke wachtwoorden niet onthuld (aangezien het moeilijk is om de hash terug te draaien). Zout wordt meestal toegevoegd om aanvallen van regenboogtafels te voorkomen.

* Digitale handtekeningen: Hashing wordt gebruikt om een ​​digitale handtekening van een document of bericht te maken. De afzender hasht het document en codeert de hash vervolgens met zijn privésleutel. De ontvanger decodeert de handtekening met de publieke sleutel van de afzender en vergelijkt de resulterende hash met zijn eigen berekende hash van het document. Als ze overeenkomen, wordt de authenticiteit en integriteit van het bericht geverifieerd.

* Berichtauthenticatiecodes (MAC's): Net als digitale handtekeningen worden MAC's gebruikt om de authenticiteit en integriteit van berichten te verifiëren, maar ze gebruiken een gedeelde geheime sleutel in plaats van openbare/private sleutelparen.

* Blockchain-technologie: Hashing is een kerncomponent van blockchain-technologie. Elk blok bevat de hash van het vorige blok en vormt een keten van blokken die bestand is tegen manipulatie.

4. Caching:

* Doel: Om snel veelgebruikte gegevens op te halen.

* Hoe het werkt: De sleutel die wordt gebruikt om toegang te krijgen tot de gegevens wordt gehasht en de resulterende hash wordt gebruikt om de locatie van de in de cache opgeslagen gegevens te identificeren.

* Voordelen: Vermijdt dure bewerkingen zoals databasequery's of complexe berekeningen door resultaten in een cache op te slaan en deze snel op te halen met behulp van hashing.

5. Gegevensontdubbeling:

* Doel: Om opslagruimte te verminderen door dubbele kopieën van gegevens te identificeren en te elimineren.

* Hoe het werkt: Bestanden of datablokken worden gehasht. Als twee verschillende bestanden dezelfde hash hebben, zijn ze waarschijnlijk identiek (hoewel botsingen mogelijk zijn). Eén kopie wordt opgeslagen en de andere wordt vervangen door een verwijzing naar de opgeslagen kopie.

6. Database-indexering:

* Doel: Om databasequery's te versnellen.

* Hoe het werkt: Hashing kan worden gebruikt om een ​​index voor een tabelkolom te maken. Wanneer een query naar een specifieke waarde zoekt, wordt de waarde gehasht en wordt de index gebruikt om snel de overeenkomstige rijen in de tabel te vinden.

Gemeenschappelijke hash-algoritmen:

* MD5 (Berichtoverzichtalgoritme 5): Ouder algoritme, dat nu als cryptografisch defect wordt beschouwd (kwetsbaar voor botsingen). Wordt in sommige contexten nog steeds gebruikt voor controlesommen, maar wordt afgeraden voor beveiligingsgevoelige toepassingen.

* SHA-1 (veilig hash-algoritme 1): Wordt ook als cryptografisch zwak beschouwd. Ontmoedigd voor nieuwe toepassingen.

* SHA-2-familie (SHA-256, SHA-512, enz.): Veiliger dan MD5 en SHA-1. Op grote schaal gebruikt voor cryptografische toepassingen en controles van de gegevensintegriteit.

* SHA-3 (Keccak): Een ander algoritme uit de SHA-2-familie, geselecteerd als winnaar van een NIST-wedstrijd.

* bcrypt, scrypt, Argon2: Deze algoritmen zijn specifiek ontworpen voor het hashen van wachtwoorden, zijn rekentechnisch duurder en bestand tegen brute-force-aanvallen.

Belangrijke overwegingen:

* De juiste hashfunctie kiezen: De juiste hashfunctie is afhankelijk van de specifieke toepassing. Beveiligingskritieke toepassingen vereisen sterke cryptografische hashfuncties (zoals SHA-256 of nieuwer). Voor hashtabellen zijn prestatie en botsingsweerstand belangrijke factoren.

* Afhandeling van botsingen: Hashtabellen moeten een strategie hebben voor het afhandelen van botsingen (wanneer twee verschillende sleutels naar dezelfde index hashen). Veelgebruikte technieken voor het oplossen van botsingen zijn onder meer afzonderlijke ketens en open adressering.

* Beveiliging: Bij het gebruik van hashes voor veiligheidsdoeleinden is het van cruciaal belang om sterke, goed doorgelichte hash-algoritmen te gebruiken en maatregelen te nemen om aanvallen zoals regenboogtafelaanvallen te voorkomen (bijvoorbeeld door gebruik te maken van salting).

Samenvattend is hashing een krachtige en veelzijdige techniek die veelvuldig wordt gebruikt bij het programmeren van computers voor taken variërend van het opslaan en ophalen van gegevens tot het verifiëren en beveiligen van de gegevensintegriteit. Het begrijpen van de principes van hashing is essentieel voor elke softwareontwikkelaar.