Was ist ein kryptografischer Hash?

Ein kryptografischer Hash ist ein Rechenverfahren, das Daten in eine Prüfsumme fester Länge umwandelt. Ob die Eingabe ein einzelner Satz oder eine große Datei ist: Derselbe Hash-Algorithmus liefert stets ein Ergebnis in der von ihm festgelegten Länge. Dieses Ergebnis heißt Hashwert oder Digest.

Es funktioniert ähnlich wie ein „Fingerabdruck“ der Daten: Solange die Eingabe gleich bleibt, bleibt der berechnete Hashwert gleich, und schon die Änderung eines einzigen Zeichens führt meist zu einem sichtbar anderen Ergebnis. Andere können den Hashwert daher neu berechnen und prüfen, ob die erhaltenen Daten mit dem Original übereinstimmen, ohne den gesamten Inhalt Zeichen für Zeichen zu vergleichen.

Der Vergleich hat Grenzen. Ein Hashwert ist keine Kurzfassung der Daten und lässt sich nicht zum Wiederherstellen des Originaltexts nutzen, und er ist auch keine absolut eindeutige Kennung. Ein sicherer kryptografischer Hash zielt darauf, das Rückrechnen auf die Eingabe oder das absichtliche Finden desselben Ergebnisses rechnerisch sehr aufwendig zu machen — nicht darauf, mathematisch zu garantieren, dass Kollisionen nie auftreten.

Eingabe und Ausgabe einer Hash-Berechnung

Ein Hash-Algorithmus arbeitet auf einer bestimmten Folge binärer Daten. Text, Bilder und Transaktionen müssen vor der Berechnung in Bytes umgewandelt werden; eine andere Zeichenkodierung, eine andere Feldreihenfolge oder eine andere Art, strukturierte Informationen in Bytes anzuordnen, ergeben eine andere Eingabe und damit ein anderes Ergebnis. Dieser Anordnungsvorgang heißt üblicherweise Serialisierung.

SHA-256 etwa gibt immer 256 Bit aus, also 32 Byte. Hashwerte werden häufig als 64 hexadezimale Zeichen geschrieben, was sie für Menschen und Software besser darstellbar macht. Die beiden Eingaben unten unterscheiden sich nur in der Groß- und Kleinschreibung eines Buchstabens, die Ergebnisse sind dennoch völlig verschieden:

Dieselbe Eingabe ergibt zuverlässig dasselbe Ergebnis, sodass verschiedene Beteiligte unabhängig prüfen können. Ein deutlich abweichendes Ergebnis macht eine Änderung der Eingabe leicht erkennbar. „Sieht zufällig aus“ allein belegt jedoch nicht, dass ein Algorithmus sicher ist; die Sicherheit hängt auch davon ab, ob er bestimmten Angriffen widersteht.

Drei wichtige Eigenschaften eines kryptografischen Hashs

Ein kryptografischer Hash muss in der Regel die folgenden drei Dinge unter realen Rechenbedingungen schwer machen:

• Zu einem gegebenen Hashwert soll es schwer sein, eine Eingabe zu finden, die dieses Ergebnis erzeugt. Das heißt Preimage-Resistenz. Anschaulich: Ein Hashwert ist keine komprimierte Datei, die man einfach dekodieren kann.
• Zu einer bekannten Eingabe soll es schwer sein, eine zweite, andere Eingabe mit demselben Hashwert zu finden. Das heißt Second-Preimage-Resistenz.
• Es soll schwer sein, irgendzwei verschiedene Eingaben mit demselben Hashwert zu finden. Das heißt Kollisionsresistenz.

Da die Zahl möglicher Eingaben die Zahl der Ausgaben fester Länge weit übersteigt, müssen Kollisionen mathematisch existieren. Das Sicherheitsziel ist nicht, sie zu beseitigen, sondern Angreifenden das Finden einer nutzbaren Kollision zu vertretbaren Kosten unmöglich zu machen.

„Schwer umkehrbar“ bedeutet auch nicht, dass ein Hash jedes Geheimnis verbergen kann. Ist der Eingabebereich klein oder leicht zu erraten — etwa bei verbreiteten Passwörtern —, können Angreifende Kandidaten einzeln ausprobieren und Ergebnisse vergleichen. Für das Speichern von Passwörtern ist daher meist ein eigens dafür gedachtes Passwort-Hashverfahren nötig, das pro Datensatz eigene Zufallsdaten beimischt (ein Salt) und festlegt, wie viel Rechenaufwand jeder Versuch erfordert (ein Kostenparameter). Ein einzelner gewöhnlicher, schneller Hash eines Passworts genügt nicht.

Unterschiede zwischen Hashing, Verschlüsselung, digitaler Signatur und Prüfsumme

Diese Verfahren können alle zum Verarbeiten oder Prüfen von Daten dienen, lösen aber verschiedene Probleme:

Ein Hash allein kann nicht belegen, wer die Daten erstellt hat. Ein digitales Signatursystem berechnet üblicherweise zuerst einen Digest der Daten und lässt dann den privaten Schlüssel das zu diesen Daten gehörende Ergebnis signieren; zum Prüfen der Autorisierungsbeziehung sind zusätzlich der öffentliche Schlüssel und die Signaturregeln erforderlich. Eine gewöhnliche Prüfsumme schützt vor allem vor zufälliger Beschädigung und hält einer absichtlichen Datenänderung durch Angreifende in der Regel nicht stand.

Wie Blockchains Hashing nutzen

Eine Blockchain führt ihr Ledger nicht über einen einzelnen Hashwert. Hashing wird normalerweise zusammen mit digitalen Signaturen, Netzwerkvalidierung, Konsens und Datenstrukturen eingesetzt und übernimmt dabei folgende Aufgaben.

Transaktionen oder andere Daten kennzeichnen

Manche Netzwerke berechnen eine Kennung aus Transaktionsdaten, die im Format des Protokolls angeordnet sind. So stammt etwa die Bitcoin-Transaktionskennung (TXID) aus einem Hash der serialisierten Transaktionsdaten. Solange Beteiligte dieselben Regeln auf dieselben Daten anwenden, können sie dieselbe Kennung unabhängig berechnen.

Ein „Transaktions-Hash“ ist allerdings keine allgemeingültige Nummer, für die alle Netzwerke denselben Algorithmus oder dasselbe Eingabeformat verwenden. Netzwerkname, Algorithmus und Serialisierungsregeln gehören zur Bedeutung; eine Zeichenkette allein zu kopieren reicht möglicherweise nicht, um ein Objekt eindeutig zu bezeichnen.

Blöcke verketten und Änderungen am Verlauf sichtbar machen

Ein Block kann den Hash des vorherigen Block-Headers speichern. Ändern sich die Daten des vorherigen Blocks, ändert sich auch sein Hash, und der in späteren Blöcken gespeicherte Wert passt nicht mehr. Sowohl Bitcoin-Block-Header als auch Ethereum-Blöcke enthalten Hash-Informationen, die auf den vorangehenden Block verweisen.

Diese Verkettung macht Änderungen am Verlauf leicht erkennbar, verhindert aber physisch nicht, dass jemand Hashes neu berechnet. Welchen Verlauf das Netzwerk letztlich annimmt, erfordert weiterhin Validierungsregeln, einen Konsensmechanismus und die Einschätzung des Netzwerkzustands durch die Beteiligten.

Große Datenmengen zusammenfassen und Inklusionsnachweise liefern

Datenstrukturen wie Merkle-Bäume fassen mehrere Elemente schichtweise zusammen und hashen sie, bis ein einzelner Root-Hash entsteht. Prüfende können mit wenigen Zwischen-Hashes kontrollieren, ob ein Element in einer bereits festgelegten Datenmenge enthalten ist, ohne jedes Mal den gesamten Inhalt zu übertragen. Ethereums Merkle-Patricia-Trie ist eine Struktur, die Zustandsdaten über Hashes verknüpft.

Ein Root-Hash kann nur belegen, ob gegebene Daten mit dieser kryptografischen Festlegung übereinstimmen. Er kann nicht belegen, dass die Eingabeinformation aus einer verlässlichen Quelle stammt oder dass ein Ereignis außerhalb der Blockchain tatsächlich eingetreten ist.

An Proof of Work mitwirken

In einem Proof-of-Work-System verändern Beteiligte wiederholt Daten im Kandidatenblock und berechnen Hashes, um ein Ergebnis zu finden, das die Schwierigkeitsbedingung des Protokolls erfüllt. Andere Nodes können schnell prüfen, ob das Ergebnis genügt. Hashing liefert hier eine wiederholbar berechenbare Aufgabe und ein überprüfbares Ergebnis, doch welcher Block vom Netzwerk angenommen wird, entscheiden weiterhin die vollständigen Konsensregeln.

Hash-Algorithmen sind nicht beliebig austauschbar

SHA-256, SHA-3 und andere kryptografische Hashes sind verschiedene Algorithmenfamilien. Auch wenn zwei Algorithmen beide 256 Bit ausgeben, liefern sie für dieselbe Eingabe nicht dasselbe Ergebnis. Eine Protokoll- oder Dateiprüfanweisung muss sowohl den Algorithmusnamen als auch die Art der Eingabeverarbeitung angeben; „einen Hash berechnen“ allein genügt nicht.

Zu den verbreiteten sicheren Hash-Algorithmen gehören die Familien SHA-2 und SHA-3. Der Secure Hash Standard des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) umfasst die SHA-2-Familie, der SHA-3-Standard die SHA-3-Familie. Ähnliche Algorithmusnamen bedeuten zudem nicht gleiche Implementierungsdetails. Ein System sollte den Algorithmus verwenden, den sein Protokoll ausdrücklich verlangt und der für den aktuellen Zweck weiterhin geeignet ist; dass ein älterer Algorithmus noch ein Ergebnis liefert, heißt nicht, dass er die Sicherheitsanforderungen noch erfüllt.

Häufig gestellte Fragen

Kann ein Hashwert entschlüsselt werden?

Ein gewöhnlicher kryptografischer Hash kann nicht „entschlüsselt“ werden, denn Hashing ist keine Verschlüsselung und es gibt keinen zugehörigen Entschlüsselungsschlüssel. Angreifende können einen passenden Wert finden, indem sie die Eingabe erraten, einen kleinen Eingaberaum vollständig durchprobieren oder eine Schwäche des Algorithmus ausnutzen — das ist aber kein direktes Wiederherstellen des Originaltexts aus dem Digest.

Wenn zwei Daten denselben Hashwert haben, muss der Inhalt gleich sein?

Nicht im Sinne mathematischer Gewissheit, denn eine Ausgabe fester Länge lässt Kollisionen zwangsläufig zu. Hat der Algorithmus weiterhin ausreichende Kollisionsresistenz und ist bestätigt, dass beide Seiten dieselbe Kodierung und dieselben Rechenregeln verwenden, kann ein identischer Hashwert in der Regel als starker Hinweis auf übereinstimmende Daten dienen.

Bestätigt ein sichtbarer Hashwert, dass eine Datei sicher ist?

Nein. Du musst außerdem wissen, woher der erwartete Hashwert kommt. Haben Angreifende sowohl die Datei als auch den Hashwert auf der Seite ersetzt, kann das Neuberechnen weiterhin „passen“. Hashing kann prüfen, ob Daten zu einem bekannten Digest passen, doch dieser Digest muss über einen verlässlichen Kanal bezogen werden.

Sind Onchain-Informationen wahr, nur weil eine Blockchain Hashing nutzt?

Nein. Hashing hilft zu prüfen, ob sich Daten geändert haben und ob verschiedene Datenstrukturen zusammenpassen, kann aber nicht beurteilen, ob der Eingabeinhalt die Welt zutreffend beschreibt. Datenherkunft, Autorisierung per Signatur, Netzwerkvalidierung und Konsens sind weiterhin getrennt zu beurteilen.

Verwandte Begriffe

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Quellen

• NIST: Definition kryptografische Hashfunktion — Digests fester Länge, Preimage-, Second-Preimage- und Kollisionsresistenz.
• NIST FIPS 180-4: Secure Hash Standard — SHA-2-Familie, Digest-Längen und Integritätszwecke.
• NIST FIPS 202: SHA-3-Standard — SHA-3-Familie und ihr Verhältnis zu SHA-2.
• NIST SP 800-63B: Password Verifiers — Passwort-Hashverfahren, Salts und Kostenparameter.
• Bitcoin Developer Reference: Transactions — serialisierte Transaktionsdaten und TXID.
• Bitcoin Developer Reference: Block Chain — Hash des vorherigen Block-Headers, Merkle-Root und Proof of Work.
• Ethereum.org: Blöcke — Hash des vorangehenden Blocks sowie Zustands- und Transaktions-Roots.
• Ethereum.org: Merkle-Patricia-Trie — über Hashes verknüpfte Datenstrukturen und Inklusionsnachweise.