Was ist Hashing? Eine komplette Erklärung

Was ist Hashing?

Hashing ist der Prozess, bei dem Daten durch einen mathematischen Algorithmus in einen sogenannten Hash umgewandelt werden. Ein Hash ist das Ergebnis in Form eines Codes mit fester Länge aus Zahlen und Buchstaben. Hashing wird verwendet, um Blockchains sicher zu machen. So verwendet zum Beispiel Bitcoin den SHA-256-Algorithmus, wobei SHA für Secure Hashing Algorithm steht.

Im Grunde funktioniert jeder Hashing-Algorithmus gleich: Du gibst Informationen ein, und es kommt ein bestimmter Code raus. Du kannst alle möglichen Daten in diese "Maschine" werfen, es kommt immer ein neuer Hash raus. Einen Hash zu generieren ist einfach, aber aus dem Hash die ursprüngliche Eingabe zu erraten, ist so gut wie unmöglich.

Schau dir mal die folgenden zwei Sätze an. Sie sehen sich ziemlich ähnlich, aber wenn du sie durch den SHA-256-Algorithmus jagst, siehst du keinen Zusammenhang mehr. Selbst wenn nur das „w“ großgeschrieben wurde.

Wichtigste Erkenntnisse

• Hashing verwandelt Daten per Algorithmus in einen festen, einzigartigen Code (Hash), der praktisch nicht auf die ursprünglichen Daten zurückgeführt werden kann.
• Kryptografische Hashfunktionen sind schnell, vorhersehbar, einseitig, extrem sensibel gegenüber kleinsten Änderungen und kaum manipulierbar.
• Merkle Trees bündeln viele Transaktionen in einem kompakten Hash (Merkle Root), sparen Speicherplatz und ermöglichen schnelle Verifizierung.
• Der Block Header enthält zentrale Infos wie den Hash des vorherigen Blocks, die Merkle Root, Zeitstempel und Nonce, wichtig für die Blockchain-Struktur.
• Bitcoin-Mining ist das Lösen kryptografischer Rätsel über Proof of Work, wobei Miner neue Blöcke hinzufügen und dafür belohnt werden.
• Hashing ist auch bei Proof of Stake wichtig, wo es Sicherheit ohne hohen Rechenaufwand garantiert.

Wie funktioniert Hashing in Krypto?

Hashing ist eine Technik, bei der Daten in eine feste Zeichenkette (den Hash) umgewandelt werden. Diese Technik spielt eine zentrale Rolle in der Welt von Krypto und Blockchains, weil sie für Sicherheit, Integrität und Effizienz sorgt. Blockchains verwenden kryptografische Hashfunktionen, bei denen jede Transaktion in einen einzigartigen Hashwert umgewandelt wird. Das nennt man auch die Transaction Hash und sie funktioniert wie eine digitale Unterschrift der Transaktion.

Man kann den Hash einer Transaktion nutzen, um sie in einem Blockchain-Explorer nachzuschlagen, eine Art digitales Buch, in dem alle Transaktionen auf einer Blockchain dokumentiert sind. Darin steht, zwischen welchen Adressen die Transaktion stattgefunden hat und um welchen Betrag es geht, ganz ohne Namen.

Außerdem nutzen Blockchains einen Merkle Tree, um Transaktionsdaten effizient zu speichern.

Was ist der Vorteil von kryptografischen Hashfunktionen?

Blockchains verwenden kryptografische Hashes, die extra dafür entwickelt wurden, sicher, zuverlässig und effizient zu sein. Kryptografische Hashfunktionen haben fünf wichtige Eigenschaften:

1. Deterministisch (vorhersehbar)
   Das heißt, bei gleicher Eingabe kommt immer genau die gleiche Ausgabe raus, egal wann du es eingibst.

2. Schnell
   Die Algorithmen arbeiten super schnell und wandeln Daten blitzschnell in einen Hash um. Wichtig für schnelle Transaktionen.

3. Einwegfunktion
   Du kannst aus der Eingabe einen Hash machen, aber nicht umgekehrt. Es ist praktisch unmöglich, aus einem Hash die ursprünglichen Daten zu erraten.

4. Schon kleine Änderungen erzeugen einen komplett anderen Hash
   Wie oben schon gezeigt, reicht eine minimale Änderung, und der ganze Hash sieht komplett anders aus. Das macht es einfach, Manipulationen zu erkennen.

5. Kaum manipulierbar
   Es ist so gut wie unmöglich, zwei verschiedene Eingaben zu finden, die denselben Hash ergeben. Das nennt man Collision Resistance, verhindert also Fälschung.

Was sind Merkle Trees?

Ein Merkle Tree oder Hash-Baum ist eine Datenstruktur, die genutzt wird, um Transaktionsdaten effizient und sicher in der Blockchain zu speichern. So funktioniert’s: Jede Transaktion wird gehasht, dann werden zwei Hashes zusammengefügt und nochmal gehasht, das geht immer so weiter, bis nur noch ein Haupt-Hash übrig ist, die Merkle Root. Die steht dann für alle Transaktionen im Block.

Du kannst dir das vorstellen wie ein Weihnachtsbaum: Unten breit mit vielen Zweigen (Daten), oben schmal mit nur noch einer Spitze (Merkle Root). Viele Transaktionen werden zusammengefasst und ergeben eine einzige kompakte Root.

Weil schon kleinste Änderungen in der Eingabe den Hash verändern, ist das superpraktisch für Merkle Trees. Wenn eine einzige Transaktion geändert wird, ändert sich gleich die Merkle Root, so lässt sich ganz einfach prüfen, ob etwas manipuliert wurde.

Vorteile von Merkle Trees:

• Bündelt viele Daten (alle Transaktionen) in einem einzigen Hash, spart Speicher und ist schnell.
• Beweist ganz einfach die Gültigkeit von Transaktionen.
• Hält alles in der richtigen Reihenfolge und sorgt dafür, dass die Blöcke korrekt aneinandergereiht sind.

Was steht im Block Header?

Der Block Header ist ein zentraler Teil jedes Blocks in der Blockchain. Er enthält die wichtigsten Infos, um Blöcke miteinander zu verbinden, Transaktionen zu prüfen und neue Blöcke zu erzeugen. Anstatt alle Daten zu speichern, hält der Header nur die Essenz fest, das macht das Netzwerk schnell und effizient.

Ein Block Header besteht aus diesen Teilen:

1. Prev_Hash
Der Hash des vorherigen Blocks. Das verbindet die Blöcke miteinander zu einer durchgehenden Kette.

2. Tx_Root (Merkle Root)
Ein zusammenfassender Hash aller Transaktionen im Block, kommt aus dem Merkle Tree. Damit kann man schnell prüfen, ob alles stimmt.

3. Timestamp
Der Zeitpunkt, an dem der Block erstellt wurde.

4. Nonce
Eine Zufallszahl, die Miner verändern, um beim Mining eine gültige Hash zu finden (bei Proof of Work).

Das Mining von Bitcoin

Bitcoin Mining ist der Prozess, bei dem neue Blöcke zur Blockchain hinzugefügt werden, dabei verdienen Miner BTC. Das passiert, indem sie ein kryptografisches Rätsel lösen. Einfach gesagt: Computer müssen die richtige Eingabe raten, die zu einem bestimmten Hash passt. Wie schon erwähnt: Das ist schwer und basiert viel auf Zufall, fast wie ein Lotteriespiel. Der erste Computer, der die Lösung findet, darf den Block zur Blockchain hinzufügen und bekommt als Belohnung 3,125 BTC. Früher waren das mal 50 BTC pro Block, aber durch das Halving halbiert sich die Belohnung etwa alle vier Jahre.

Das Ganze läuft über den Proof-of-Work-Konsensmechanismus, bei dem Rechenleistung genutzt wird, um die Blockchain am Laufen zu halten. Als Bitcoin 2009 gestartet ist, konnte man noch mit einem Laptop minen, heute braucht man spezielle Hardware, weil die Rätsel viel schwieriger geworden sind.

Was ist die Hashrate?

Die Hashrate zeigt an, wie schnell Hashes im Netzwerk berechnet werden. Je mehr Miner aktiv sind, desto höher ist die Hashrate, und desto sicherer ist das Netzwerk. Wenn die Hashrate steigt, werden die Rätsel automatisch schwerer. Sinkt sie, werden sie leichter. So wird sichergestellt, dass regelmäßig, etwa alle 10 Minuten, ein neuer Block zur Bitcoin-Blockchain hinzugefügt wird.

Hashing bei Proof of Stake

Auch bei Proof-of-Stake-Blockchains wie Ethereum spielt Hashing eine wichtige Rolle. Bei PoS nutzen Validatoren Hashing, um Transaktionen zu prüfen und die Blöcke abzusichern, ohne dabei so viel Rechenleistung zu verbrauchen wie beim Mining. Hashfunktionen sorgen auch hier dafür, dass Daten unverändert bleiben, jede Änderung wäre durch die neue Hash sofort erkennbar. So sorgt Hashing auch bei Proof of Stake für eine sichere und zuverlässige Blockchain, aber eben viel energieeffizienter als Proof of Work.

Fazit

Hashing ist die grundlegende Technik, die Sicherheit, Integrität und Effizienz in Blockchains möglich macht. Indem Daten in einzigartige, feste Codes umgewandelt werden, die praktisch nicht manipulierbar sind, machen kryptografische Hashfunktionen Transaktionen verlässlich und fälschungssicher. In Kombination mit Strukturen wie Merkle Trees und dem Block Header sorgt Hashing dafür, dass Blockchains sicher verbunden bleiben und reibungslos funktionieren. Egal ob bei Proof of Work oder Proof of Stake, ohne Hashing geht in der Blockchain-Welt nichts.