Was ist eine Hash-Funktion? Einfache Anleitung für Einsteiger

Jedes Mal, wenn Sie sich bei einer Website anmelden, Software herunterladen oder eine Online-Zahlung vornehmen, arbeiten Hash-Funktionen im Hintergrund, um Ihre Daten zu schützen. Diese mathematischen Werkzeuge wandeln Informationen in eindeutige Zeichenketten um und helfen dabei, Passwörter zu verifizieren, die Integrität von Dateien zu prüfen und digitale Transaktionen zu sichern.

Hash-Funktionen sind für die moderne Cybersicherheit von entscheidender Bedeutung, vom Schutz Ihrer Anmeldedaten bis hin zum Betrieb der Blockchain-Technologie. Schauen wir uns die Hash-Funktionen genauer an, wie sie funktionieren und warum sie für jeden Internetnutzer wichtig sind.

---

Inhaltsverzeichnis

1. Was ist eine Hash-Funktion?
2. Wie Hash-Funktionen funktionieren
3. Was macht eine Hash-Funktion wirklich sicher?
4. Gängige Hashing-Algorithmen
5. Wie Hash-Funktionen die reale Welt antreiben
6. Hashing vs. Verschlüsselung: Wann wird gehasht, wann verschlüsselt?
7. Hash-Einschränkungen und Schwachstellen, die Sie kennen sollten
8. Spickzettel für Hash-Funktionen: Anwendungsfälle & empfohlene Algorithmen

---

Was ist eine Hash-Funktion?

Eine kryptografische Hash-Funktion ist ein mathematischer Algorithmus, der Daten beliebiger Größe in eine Zeichenkette fester Länge umwandelt. Stellen Sie sich das wie einen digitalen Fingerabdruck vor. Egal, wie groß oder klein die Eingabe ist, die Ausgabe (Hashwert oder Digest genannt) hat immer dieselbe Länge.

Was Hash-Funktionen so effizient macht, ist ihre Einweg-Natur. Sie können Informationen einfach in einen Hash-Wert umwandeln, aber es ist unmöglich, dies rückgängig zu machen und die ursprünglichen Daten aus dem Hash-Wert wiederherzustellen. Diese Eigenschaft macht Hash-Funktionen perfekt für die Überprüfung von Daten , ohne dass sensible Informationen preisgegeben werden.

Hash-Funktionen sind deterministisch, d.h. dieselbe Eingabe erzeugt immer denselben Hash-Wert. Ändern Sie auch nur ein einziges Zeichen in Ihrer Eingabe, so erzeugt der Hash einen anderen digitalen Fingerabdruck.

Die Phrase“Hello World” könnte zum Beispiel eine Ausgabe mit fester Länge wie“a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e” ergeben, wenn ein gängiger Algorithmus namens SHA-256 verwendet wird. Fügen Sie einfach einen Punkt am Ende hinzu (“Hello World.”) und der Hash-Wert verwandelt sich in etwas völlig anderes.

Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften macht Hash-Algorithmen mit Einwegfunktionen unschätzbar wertvoll für die Datenüberprüfung und für Sicherheitsanwendungen, bei denen Sie bestätigen müssen, dass die Informationen nicht verändert wurden.

Hash-Funktionen spielen eine Schlüsselrolle bei digitalen Signaturen, bei denen der Hash-Wert der Nachricht mit Hilfe des Systems öffentlicher Schlüssel/privater Schlüssel signiert wird, um Authentizität und Integrität zu gewährleisten.

---

Wie Hash-Funktionen funktionieren

Wenn Sie Ihre Daten an eine Hash-Funktion übermitteln, beginnt hinter den Kulissen ein komplexer Prozess. Die Funktion zerlegt Ihre Eingabedaten zunächst in Datenblöcke fester Größe. SHA-256 (ein beliebter sicherer Hash-Algorithmus) zum Beispiel verarbeitet Informationen in 512-Bit-Blöcken.

Wenn Ihr endgültiger Block nicht groß genug ist, fügt der Algorithmus zusätzliche Bits hinzu, die so genannte Auffüllung, um eine konsistente Verarbeitung zu gewährleisten. Jeder Datenblock durchläuft dann mathematische Schritte mit Bitverschiebung, logischen Operationen und mathematischen Funktionen.

Was Hash-Funktionen so besonders macht, ist der Lawineneffekt – ein Sicherheitsmerkmal, bei dem die Änderung eines einzigen Bits in Ihrer Eingabe einen dramatisch anderen Hashwert erzeugt. Wenn Sie z.B. “Passwort” und “Password” hashen, erhalten Sie völlig unterschiedliche Ergebnisse, obwohl sich nur ein Zeichen von Klein- zu Großbuchstaben ändert.

Der Lawineneffekt sorgt dafür, dass geringfügige Änderungen an Ihren Eingabedaten beim Vergleich von Hash-Werten sofort sichtbar werden. Daher eignen sich Hash-Funktionen hervorragend zur Erkennung von Manipulationen, z. B. wenn jemand eine von Ihnen heruntergeladene Datei oder den Inhalt einer von Ihnen empfangenen Nachricht verändert hat.

Die Methode folgt einer bestimmten mathematischen Formel, die je nach sicherem Hash-Algorithmus variiert. Einige Algorithmen erzeugen kürzere Hash-Digest-Ausgaben (wie MD5 mit 128 Bits), andere hingegen längere (wie SHA-512 mit 512 Bits).

Unabhängig davon, welchen Algorithmus Sie verwenden, bleibt die Prozessumwandlung konsistent und verwandelt Eingaben mit variabler Länge in vorhersehbare Ausgabestrings mit fester Länge.

---

Was macht eine Hash-Funktion wirklich sicher?

Mehrere wichtige Funktionen arbeiten zusammen, um Ihre Daten effektiv zu verwalten.

• Ein kryptographischer Hash ist ein deterministischer Algorithmus, d.h. Sie erhalten das gleiche Ergebnis, wenn Sie dieselben Daten zweimal eingeben. Dank dieser Konsistenz können Computer die Integrität von Hash-Funktionen überprüfen, indem sie bei der Überprüfung von Dateien oder digitalen Signaturen Hash-Werte vergleichen.
• Starke Hash-Funktionen sind außerdem kollisionssicher, so dass es praktisch unmöglich ist, zwei verschiedene Informationen zu finden, die die gleiche Hash-Ausgabe erzeugen. Ohne diesen Schutz könnten Angreifer bösartige Dateien gegen legitime austauschen und dabei denselben Hash-Wert beibehalten.
• In ähnlicher Weise verhindert die Preimage-Resistenz, dass man von einem Hash rückwärts arbeitet, um die ursprüngliche Eingabe zu ermitteln. Diese einseitige Eigenschaft stellt sicher, dass selbst wenn jemand einen Passwort-Hash erhält, er ihn nicht umkehren kann, um Ihr Passwort zu finden.
• Wenn Entwickler Software entwickeln, die Hash-Tabellen zur Datenspeicherung verwendet, benötigen sie Hash-Funktionen, die die Werte gleichmäßig verteilen. Diese ausgewogene Verteilung hilft Anwendungen, Informationen schnell und effizient zu finden.

Moderne Algorithmen bieten diese Schutzeigenschaften in unterschiedlichen Stärken. Bei alltäglichen Sicherheitsanforderungen gewährleisten diese Funktionen die Sicherheit Ihrer Online-Konten und heruntergeladenen Dateien.

Stärkere Algorithmen können zwar etwas länger dauern, bieten aber einen besseren Schutz gegen Angriffe. Solange die Hash-Funktion für dieselbe Eingabe dieselbe Ausgabe erzeugt, die Werte gut verteilt und für jede Dateneinheit einen eindeutigen Hash-Code generiert, erfüllt sie ihre Aufgabe gut.

---

Gängige Hashing-Algorithmen

Hash-Funktionen gibt es in verschiedenen Varianten, jede mit unterschiedlichen Stärken und Zwecken. Hier sind die wichtigsten Typen, denen Sie begegnen werden:

• SHA-Familie (SHA-1, SHA-2, SHA-3): SHA-256 gehört zur SHA-2-Familie und erzeugt eine 256-Bit-Ausgabe. Dieser sichere Hash-Algorithmus schützt sensible Daten in Banksystemen und ist das Rückgrat des Bitcoin-Mining-Prozesses.
• SHA-1 war der Standard für die Verifizierung digitaler Signaturen, aber Sicherheitsexperten empfehlen ihn nicht mehr, seit Forscher 2017 praktische Kollisionsangriffe demonstrierten.
• SHA-3 ist die neueste Generation von Standards für sichere Hash-Algorithmen, die mit einer völlig anderen internen Struktur als ihre Vorgänger entwickelt wurden.
• MD-Familie (MD5, MD4, etc.) MD5 ist einer der ältesten und schnellsten Algorithmen, der einen 128-Bit-Hash erzeugt. Er wird zwar immer noch für die grundlegende Überprüfung von Dateien verwendet, ist aber nicht sicher genug für Passwörter oder Datenintegrität.
• RIPEMD (insbesondere RIPEMD-160) ist in Kryptowährungssystemen weiterhin beliebt. Es wird oft zusammen mit SHA-256 bei der Bitcoin- oder Ethereum-Adressgenerierung verwendet.
• Bcrypt und Argon2 sind spezialisierte Hash-Funktionen, die speziell für die Speicherung von Passwörtern entwickelt wurden, da sie absichtlich verlangsamt werden können, um Brute-Force-Angriffe zu verhindern. Für das Hashing von Passwörtern machen speicherintensive Algorithmen wie scrypt Brute-Force- und Rainbow-Table-Angriffe weitaus schwieriger.
• BLAKE2/BLAKE3 bieten Hochgeschwindigkeits-Alternativen zur SHA-256-Familie und behalten gleichzeitig starke Sicherheitseigenschaften.

Bei der Wahl der Hash-Funktion sollten Sie bedenken, was Sie schützen wollen. Die Speicherung von Passwörtern oder eine einfache Dateiverifizierung erfordern unterschiedliche Algorithmen. Die meisten modernen Systeme verwenden heute die gleiche Hash-Funktion, SHA-256, oder neuere Alternativen wie SHA-3, wenn ein starker Schutz erforderlich ist.

---

Wie Hash-Funktionen die reale Welt antreiben

Hash-Funktionen treiben im Stillen die Technik an, auf die Sie sich jeden Tag verlassen. Von Anmeldesystemen bis hin zu sicheren Nachrichtenübermittlungen schützen sie Ihre Daten und sorgen für einen reibungslosen Ablauf. Hier sehen Sie, wo sie in der realen Welt auftauchen:

• Passwort-Hashing (mit Salting): Wenn Sie ein Kennwort festlegen, wird es nicht in seiner ursprünglichen Form gespeichert. Stattdessen lässt das System es durch eine Hash-Funktion laufen und fügt einen Zufallswert hinzu, der als Salt. Selbst wenn zwei Benutzer dasselbe Kennwort haben, schützt dies vor gängigen Angriffen und macht Ihre Anmeldung sicher.
• Digitale Signaturen und E-Mail-Authentifizierung: Eine digitale Signatur beweist, dass eine Nachricht oder Datei von einer vertrauenswürdigen Quelle stammt. Sie hasht den Inhalt und verschlüsselt ihn mit einem privaten Schlüssel. Viele E-Mail-Dienste verwenden eine Hash-basierte E-Mail-Authentifizierung, um gefälschte oder bösartige Nachrichten zu blockieren.
• Überprüfung der Dateiintegrität: Haben Sie schon einmal einen Hash-Wert neben einem Dateidownload gesehen? Das ist für die Überprüfung der Datei. Nach dem Herunterladen hasht Ihr Gerät die Datei und vergleicht sie mit dem Original. Wenn die Werte übereinstimmen, wissen Sie, dass die Datei sauber ist. Vom NIST genehmigte Hash-Algorithmen (FIPS 180-4, FIPS 202) wie SHA-2 und SHA-3 sind weithin anerkannte Standards für das sichere Hashing von Daten in staatlichen und kommerziellen Systemen.
• Blockchain und Kryptowährungen: In der Welt der Kryptowährungen sorgen Hash-Funktionen für den Proof-of-Work. Miner konkurrieren darum, Hash-Puzzles zu lösen, Transaktionen zu validieren und die Blockchain zu sichern. Das ist es, was Netzwerke wie Bitcoin reibungslos funktionieren lässt.
• TLS und sichere Webverbindungen: Hash-Funktionen sichern auch Ihre Browser-Sitzungen. Während eines TLS-Handshakes helfen sie bei der Verifizierung von Zertifikaten und schützen Ihre Daten, während sie über das Internet übertragen werden. Sicherheitsplattformen wie Venafi helfen bei der Verwaltung digitaler Zertifikate und verwenden Hash-Funktionen, um das Vertrauen in Rechneridentitäten zu überprüfen. Im Gegensatz dazu verwendet CrowdStrike die Hash-Analyse von Dateien, um bekannte Malware in Echtzeit zu erkennen und zu blockieren.
• Prüfsummen für Downloads und Backups: Hash-Funktionen erzeugen Prüfsummen, mit denen Sie sicherstellen können, dass niemand große Dateien wie Software-Installationen oder Backups beschädigt hat.
• Digitale Forensik: Ermittler verwenden Hash-Funktionen, um zu beweisen, dass Dateien (wie Festplatten-Images) nicht verändert wurden. Sobald sie einen Hashwert berechnen, wird sogar ein einzelnes Byte sofort angezeigt.
• CAPTCHAs und Proof-of-Work-Rätsel in Webanwendungen: Einige Websites verwenden leichtgewichtige Hash-basierte Rätsel, um Bots zu verlangsamen, ohne echte Benutzer zu belästigen. Es ist wie eine Mini-Version des Proof-of-Work aus der Blockchain-Welt.

---

Hashing vs. Verschlüsselung: Wann wird gehasht, wann verschlüsselt?

Das Verständnis von Verschlüsselung und Hashing in der Kryptographie ist der Schlüssel zu einem guten Datenschutz. Beide verschlüsseln Daten, aber aus sehr unterschiedlichen Gründen.

Hashing ist eine Einwegfunktion. Sie nehmen Daten, lassen sie durch einen Hash-Algorithmus laufen und erhalten ein Ergebnis mit einer festen Länge. Es ist wie ein Manipulationssiegel. Sie können es nicht rückgängig machen, aber Sie werden wissen, ob jemand daran herumgepfuscht hat. Hashing wird zur Überprüfung der Datenintegrität verwendet, z. B. zur Überprüfung von Dateien oder Passwörtern. Wenn dieselbe Eingabemeldung dasselbe Ergebnis liefert, haben sich die Daten nicht verändert. Sie finden es auch in Schlüsselableitungsfunktionen und Nachrichtenauthentifizierungscodes (MAC).

Die Verschlüsselung hingegen ist ein zweiseitiger Prozess. Es ist eher so, als würden Sie Ihre Daten mit einem Schlüssel in einer Kiste einschließen. Nur jemand, der den richtigen Schlüssel hat, kann ihn öffnen. Durch die Verschlüsselung bleiben Ihre Daten geheim, während das Hashing beweist, dass sie nicht verändert worden sind.

Kurz gesagt, Sie hacken Daten, wenn Sie überprüfen wollen, dass sie nicht manipuliert wurden, und verschlüsseln sie, wenn Sie sie geheim halten wollen.

---

Hash-Einschränkungen und Schwachstellen, die Sie kennen sollten

Das größte Problem sind Hash-Kollisionen, die auftreten, wenn verschiedene Eingaben identische Hash-Werte ergeben. Obwohl dies mathematisch unvermeidlich ist, da unendlich viele Eingaben auf endliche Ausgaben abgebildet werden können, machen starke Algorithmen das Auffinden von Kollisionen fast unmöglich.

Einige ältere Algorithmen haben sich im Laufe der Zeit als verwundbar erwiesen. Das bekannteste Beispiel sind die Schwachstellen von SHA-1, die dazu geführt haben, dass die wichtigsten Browser und Sicherheitsorganisationen diesen Algorithmus nicht mehr verwenden.

Ein entschlossener Angreifer, der über beträchtliche Rechenressourcen verfügt, könnte einen Brute-Force-Angriff versuchen, bei dem er unzählige Eingabekombinationen ausprobiert, bis er eine findet, die einen Ziel-Hash ergibt. Dieser Ansatz wird praktikabler, wenn die Hash-Ausgaben kürzer sind oder wenn die Angreifer die Eingabe teilweise kennen.

Verschiedene Hash-Funktionen bieten unterschiedliche Sicherheitsniveaus. Der Message-Digest-Algorithmus MD5 war einst der bevorzugte Hash-Algorithmus für viele Anwendungen, ist aber inzwischen anfällig für Rainbow-Table-Angriffe. Auch der Unicode-Hash, der bei der Windows-Authentifizierung (NTLM) verwendet wird, hat bekannte Schwachstellen, die Angreifer ausnutzen können.

Mit zunehmender Rechenleistung können Algorithmen, die einst als sicher galten, angreifbar werden. Sicherheitsbewusste Unternehmen überprüfen jetzt regelmäßig ihre Hash-Implementierungen und stellen bei Bedarf auf stärkere Algorithmen um.

---

Spickzettel für Hash-Funktionen: Anwendungsfälle & empfohlene Algorithmen

Anwendungsfall	Empfohlene Algorithmen	Warum es funktioniert
Passwort speichern	Argon2, Bcrypt, PBKDF2	Langsam, um Brute-Force-Suchen und Wörterbuchangriffen zu widerstehen
Überprüfung der Dateiintegrität	SHA-256, BLAKE3	Schnell und sicher mit hoher Kollisionssicherheit
Digitale Signaturen	SHA-256, SHA-3, SHA-384	Zuverlässig und weitgehend unterstützt in Signaturstandards
Blockchain/Kryptowährung	SHA-256 (Bitcoin), Keccak-256 (ETH)	Sicher und effizient für Proof-of-Work und Blockverifizierung
Authentifizierung von Nachrichten	SHA-256 (HMAC), BLAKE2	Wird in HMACs zur Authentifizierung von Nachrichten und APIs verwendet.
Legacy-Kompatibilität	SHA-1, MD5 (nicht empfohlen)	Noch immer in alten Systemen zu finden, sollte aber aufgrund bekannter Schwachstellen aus dem Verkehr gezogen werden

---

Sichern Sie Ihr digitales Leben mit SSL Dragon

Jetzt, da Sie wissen, wie Hash-Funktionen Ihre Online-Aktivitäten schützen, fragen Sie sich vielleicht, wie Sie eine angemessene Sicherheit für Ihre Website oder Ihr Unternehmen implementieren können.

Bei SSL Dragon bieten wir vertrauenswürdige TLS/SSL-Zertifikate von führenden Anbietern an und helfen Ihnen, Ihre Website mit aktuellen Hash-Algorithmen und Verschlüsselungsstandards zu sichern. Unser Team ist immer auf dem neuesten Stand der besten Sicherheitspraktiken, damit Sie immer den besten Schutz haben.

Ganz gleich, ob Sie einen einfachen Blog oder eine komplexe E-Commerce-Plattform absichern müssen, unser Angebot an SSL-Zertifikaten bietet das richtige Maß an Schutz zu günstigen Preisen.