¿Qué son los Hashes? La tecnología que impulsa la seguridad en el mundo blockchain

La función de hashing es un proceso matemático que genera una salida de tamaño fijo a partir de datos de entrada de tamaño variable. Este proceso se realiza mediante fórmulas matemáticas específicas conocidas como funciones hash, que se implementan a través de algoritmos computacionales.

Aunque existen funciones hash que no incorporan elementos criptográficos, las denominadas funciones hash criptográficas constituyen el núcleo tecnológico de las criptomonedas. Gracias a estas funciones, las redes blockchain y otros sistemas distribuidos logran alcanzar niveles significativos de seguridad e integridad en sus datos.

Características fundamentales de las funciones hash

Todas las funciones hash, tanto las convencionales como las criptográficas, comparten una propiedad esencial: el determinismo. Esto significa que mientras los datos de entrada permanezcan inalterados, el algoritmo hash generará siempre el mismo resultado (también conocido como digest o hash).

Los algoritmos hash utilizados en criptomonedas están diseñados como funciones unidireccionales, lo que implica que resulta prácticamente imposible revertirlos sin invertir una cantidad desmesurada de tiempo y recursos computacionales. En términos prácticos, es sencillo generar una salida a partir de una entrada, pero extremadamente difícil realizar el proceso inverso (deducir la entrada a partir de una salida). Por regla general, cuanto más complejo sea obtener la entrada original a partir del hash, más seguro se considera el algoritmo.

Funcionamiento de una función hash

Las diferentes funciones hash producen resultados de distintos tamaños, pero el tamaño de salida para cada algoritmo específico es siempre constante. Por ejemplo, el algoritmo SHA-256 únicamente puede generar resultados de 256 bits, mientras que SHA-1 siempre produce un digest de 160 bits.

Para ilustrar este concepto, analicemos qué ocurre al procesar las palabras "Palabra" y "palabra" a través del algoritmo SHA-256 (el mismo que utiliza Bitcoin):

| Entrada | Salida SHA-256 (256 bits) | |---------|----------------------------| | Palabra | f39c96107d7bb9e4870c5a4859d95d9329d3cbac1f9a8d3bd4d9b9d62f526e8c | | palabra | 8460a8a5855f48887cc55e1f95a20c34835915d43a04fdcf25723643896d9527 |

Observe cómo un cambio mínimo (la mayúscula inicial) genera un valor hash completamente diferente. Sin embargo, al utilizar SHA-256, las salidas siempre tendrán un tamaño fijo de 256 bits (o 64 caracteres hexadecimales) independientemente del tamaño de la entrada. Además, no importa cuántas veces procesemos estas dos palabras a través del algoritmo; las salidas permanecerán constantes.

Si utilizamos el algoritmo SHA-1 con las mismas entradas, obtenemos los siguientes resultados:

| Entrada | Salida SHA-1 (160 bits) | |---------|-------------------------| | Palabra | 2a3d74e31e7b9dc5596ef0dfdbec3367dee5ece8 | | palabra | 9661166b561e30e68bb7c4be3b1799e749d925be |

Es interesante destacar que SHA significa Secure Hash Algorithms (Algoritmos de Hash Seguros). Esta denominación engloba un conjunto de funciones hash criptográficas que incluyen los algoritmos SHA-0 y SHA-1, así como las familias SHA-2 y SHA-3. SHA-256 forma parte de la familia SHA-2, junto con SHA-512 y otras variantes. Actualmente, solo las familias SHA-2 y SHA-3 se consideran criptográficamente seguras.

Importancia de las funciones hash en la tecnología digital

Las funciones hash convencionales tienen múltiples aplicaciones, incluyendo búsquedas en bases de datos, análisis de archivos voluminosos y gestión eficiente de datos. Por su parte, las funciones hash criptográficas se utilizan ampliamente en aplicaciones de seguridad informática, como autenticación de mensajes y verificación de integridad de datos. En el contexto de Bitcoin, estas funciones constituyen una parte integral del proceso de minería y desempeñan un papel crucial en la generación de direcciones y claves.

El verdadero potencial del hashing se manifiesta al trabajar con grandes volúmenes de información. Por ejemplo, es posible procesar un archivo extenso o conjunto de datos a través de una función hash y utilizar el resultado para verificar rápidamente la integridad y precisión de los datos originales. Esto es posible gracias a la naturaleza determinista de las funciones hash: la misma entrada siempre produce una salida comprimida y simplificada (el hash). Este método elimina la necesidad de almacenar y "memorizar" grandes volúmenes de datos.

El hashing resulta particularmente valioso en el contexto de la tecnología blockchain. La cadena de bloques de Bitcoin incorpora múltiples operaciones relacionadas con el hashing, principalmente durante el proceso de minería. De hecho, prácticamente todos los protocolos de criptomonedas se fundamentan en funciones hash para agrupar transacciones en bloques y crear enlaces criptográficos entre cada bloque, formando así la cadena de bloques.

Propiedades esenciales de las funciones hash criptográficas

Una función hash que implementa técnicas criptográficas se define como función hash criptográfica. Descifrar una función hash criptográfica generalmente requiere numerosos intentos de fuerza bruta. Para "revertir" una función hash criptográfica, es necesario seleccionar diferentes entradas mediante prueba y error hasta obtener la salida deseada. Sin embargo, existe la posibilidad de que diferentes entradas produzcan el mismo resultado, situación conocida como "colisión".

Técnicamente, para que una función hash criptográfica se considere segura, debe cumplir tres propiedades fundamentales:

1. Resistencia a colisiones

Definición: Imposibilidad práctica de encontrar dos entradas diferentes que produzcan el mismo hash.

Una colisión ocurre cuando diferentes entradas generan el mismo hash. Una función hash se considera resistente a colisiones hasta que alguien descubre dicha colisión. Es importante mencionar que las colisiones siempre existirán para cualquier función hash debido al número infinito de posibles entradas y el número finito de posibles salidas.

Por lo tanto, una función hash es resistente a colisiones cuando la probabilidad de detectar una colisión es tan remota que requeriría millones de años de cálculo computacional. Por esta razón, aunque no existen funciones hash completamente libres de colisiones, algunas son tan robustas que se consideran criptográficamente seguras (como SHA-256).

Entre los diferentes algoritmos SHA, los grupos SHA-0 y SHA-1 ya no se consideran seguros porque se han detectado colisiones. Actualmente, solo las familias SHA-2 y SHA-3 se consideran resistentes a colisiones.

2. Resistencia a la preimagen (o búsqueda de la primera preimagen)

Definición: Imposibilidad práctica de "revertir" la función hash (encontrar la entrada a partir de una salida determinada).

Esta propiedad está estrechamente relacionada con el concepto de funciones unidireccionales. Una función hash se considera resistente a la preimagen cuando existe una probabilidad extremadamente baja de que alguien pueda determinar la entrada utilizando únicamente la salida generada.

Esta propiedad es diferente de la resistencia a colisiones, ya que aquí el atacante intenta descubrir específicamente la entrada que generó un hash particular, no cualquier par de entradas que produzcan el mismo hash.

La resistencia a la preimagen es fundamental para la seguridad de datos, ya que permite utilizar el hash de un mensaje para verificar su autenticidad sin necesidad de revelar información adicional. En la práctica, muchos proveedores de servicios web almacenan únicamente los hashes generados a partir de contraseñas en lugar de guardarlas en formato de texto plano.

3. Resistencia a la segunda preimagen

Definición: Imposibilidad práctica de encontrar una segunda entrada que genere el mismo hash que una entrada conocida.

Esta propiedad se sitúa conceptualmente entre las dos anteriores. Un ataque de segunda preimagen consiste en encontrar una entrada específica que pueda generar una salida idéntica a la producida por otra entrada previamente conocida.

En otras palabras, este tipo de ataque implica detectar colisiones, pero en lugar de buscar dos entradas aleatorias que generen el mismo hash, el objetivo es encontrar una entrada alternativa que reproduzca el hash ya generado por otra entrada conocida.

Por lo tanto, cualquier función hash resistente a colisiones también es resistente a ataques de segunda preimagen, ya que estos últimos requieren necesariamente una colisión. Sin embargo, es posible realizar un ataque de primera preimagen contra una función resistente a colisiones, ya que esto implica buscar una entrada específica a partir de una salida.

Minería y funciones hash

El proceso de minería de Bitcoin incorpora numerosos pasos que utilizan funciones hash. Estas operaciones incluyen la verificación de saldos, la vinculación de entradas y salidas de transacciones, y la combinación de todas las transacciones en un bloque para formar un árbol de Merkle. Sin embargo, uno de los principales factores que garantizan la seguridad de la cadena de bloques de Bitcoin es que los mineros deben realizar un elevado número de operaciones hash para encontrar la solución correcta para el siguiente bloque.

Un minero debe utilizar diferentes entradas al generar un hash para su bloque candidato. El bloque será válido únicamente si el hash generado comienza con un determinado número de ceros. La cantidad de ceros requeridos determina la dificultad de minería y varía según el hashrate de la red.

El hashrate representa la potencia computacional invertida en la minería de Bitcoin. Si el hashrate aumenta, el protocolo Bitcoin ajusta automáticamente la dificultad de minería para mantener un tiempo promedio de creación de bloques de aproximadamente 10 minutos. Si varios mineros abandonan la actividad, provocando una disminución significativa del hashrate, la dificultad de minería se ajustará temporalmente a la baja (hasta que el tiempo promedio de formación de bloques regrese a 10 minutos).

Es importante señalar que los mineros no necesitan buscar colisiones específicas, ya que existen múltiples hashes que pueden constituir una salida válida (comenzando con la cantidad requerida de ceros). Por lo tanto, hay varias soluciones posibles para un bloque determinado, y los mineros solo necesitan encontrar una de ellas, según el umbral establecido por la dificultad de minería actual.

Dado que la minería de Bitcoin representa una actividad con un coste energético y económico considerable, los mineros carecen de incentivos para intentar engañar al sistema, ya que esto resultaría en pérdidas financieras significativas. En consecuencia, cuantos más mineros se incorporen a la red blockchain, más robusta y segura se volverá esta.

La relevancia de las funciones hash en la criptografía moderna

Las funciones hash constituyen una de las herramientas fundamentales en la informática, especialmente al procesar grandes volúmenes de datos. Cuando se combinan con técnicas criptográficas, los algoritmos hash resultan extremadamente valiosos, proporcionando seguridad y autenticación de diversas formas.

Las funciones hash criptográficas son elementos esenciales en prácticamente todas las redes de criptomonedas actuales. Comprender sus propiedades y mecanismos de funcionamiento resulta indispensable para cualquier persona interesada en la tecnología blockchain y su aplicación en el ecosistema financiero digital.

La integración de estas funciones matemáticas en los sistemas blockchain permite garantizar la inmutabilidad de los registros, la verificación eficiente de transacciones y la generación segura de direcciones criptográficas, pilares fundamentales para construir un sistema financiero digital confiable y descentralizado.