وظيفة الذاكرة الصلبة

في علم التشفير ، تُعرف الدالة التي تتطلب ذاكرة كبيرة ( MHF ) بأنها دالة تستهلك كمية كبيرة من الذاكرة لتنفيذها بكفاءة. ^{[ 1 ]} وهي تختلف عن الدالة التي تعتمد على الذاكرة ، والتي تستهلك الذاكرة بشكل كبير، مما يؤدي إلى إبطاء الحساب بسبب زمن استجابة الذاكرة. ^{[ 2 ]} وقد شاع استخدام الدوال التي تتطلب ذاكرة كبيرة في تمديد المفاتيح وإثبات العمل، حيث أن متطلبات الذاكرة المتزايدة التي تتطلبها تقلل بشكل كبير من ميزة الكفاءة الحسابية للأجهزة المصممة خصيصًا مقارنةً بالأجهزة العامة، وذلك عند مقارنتها بالدوال التي لا تتطلب ذاكرة كبيرة. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

صُممت دوال التجزئة متعددة الوظائف (MHFs) لاستهلاك كميات كبيرة من ذاكرة الحاسوب بهدف تقليل فعالية الحوسبة المتوازية . ولتقييم الدالة باستخدام ذاكرة أقل، يُضاف وقت كبير إلى الحساب. ونظرًا لأن كل عملية حسابية في دوال التجزئة متعددة الوظائف تتطلب كمية كبيرة من الذاكرة، فإن عدد عمليات الحساب التي يمكن إجراؤها في وقت واحد محدود بكمية الذاكرة المتاحة. وهذا يقلل من كفاءة الأجهزة المتخصصة، مثل الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات ووحدات معالجة الرسومات ، التي تستخدم التوازي، في حساب دوال التجزئة متعددة الوظائف لعدد كبير من المدخلات، كما هو الحال عند استخدام أسلوب التجربة والخطأ لفك تشفير كلمات المرور أو تعدين العملات المشفرة . ^{[ 1 ] [ 4 ]}

تعتمد آلية إثبات العمل في بيتكوين على التقييم المتكرر لدالة SHA-256 ، إلا أن المعالجات الحديثة متعددة الأغراض، مثل وحدات المعالجة المركزية الجاهزة ، غير فعالة عند حساب دالة ثابتة عدة مرات. في المقابل، يمكن للأجهزة المتخصصة، مثل الدوائر المتكاملة المصممة خصيصًا لتطبيقات محددة (ASICs) لتعدين بيتكوين، أن تستهلك طاقة أقل بمقدار 30,000 مرة لكل عملية تجزئة مقارنةً بوحدات المعالجة المركزية x86، مع معدلات تجزئة أعلى بكثير. ^{[ 4 ]} وقد أدى ذلك إلى مخاوف بشأن مركزية تعدين بيتكوين والعملات المشفرة الأخرى. ^{[ 4 ]} ونظرًا لهذا التفاوت بين المعدنين الذين يستخدمون ASICs والمعدنين الذين يستخدمون وحدات المعالجة المركزية أو الأجهزة الجاهزة، فقد استخدم مصممو أنظمة إثبات العمل اللاحقة دوال تجزئة يصعب تصميم دوائر متكاملة خاصة بها قادرة على تقييم دالة التجزئة بسرعة أكبر بكثير من وحدة المعالجة المركزية. ^{[ 3 ]}

بما أن تكلفة الذاكرة مستقلة عن المنصة، ^{[ 1 ]} فقد وجدت خوارزميات التجزئة متعددة الوظائف (MHFs) استخدامًا في تعدين العملات المشفرة، مثل لايتكوين ، التي تستخدم خوارزمية scrypt كدالة تجزئة. ^{[ 3 ]} كما أنها مفيدة في تجزئة كلمات المرور لأنها تزيد بشكل كبير من تكلفة تجربة العديد من كلمات المرور المحتملة مقابل قاعدة بيانات مسربة لكلمات المرور المجزأة، دون زيادة ملحوظة في وقت الحساب للمستخدمين الشرعيين. ^{[ 1 ]}

توجد طرقٌ عديدة لقياس مدى صعوبة استخدام الذاكرة في دالةٍ ما. ومن المقاييس الشائعة التعقيد التراكمي للذاكرة (CMC). في النموذج المتوازي، يُمثل CMC مجموع الذاكرة المطلوبة لحساب دالةٍ ما في كل خطوةٍ زمنيةٍ من خطوات الحساب. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تشمل التدابير الأخرى القابلة للتطبيق دمج استخدام الذاكرة مع الوقت وقياس استهلاك عرض نطاق الذاكرة على ناقل الذاكرة. وتُعرف الوظائف التي تتطلب عرض نطاق ذاكرة عاليًا أحيانًا باسم "الوظائف التي تتطلب عرض نطاق عالي". ^{[ 7 ]}

يمكن تصنيف دوال التشفير ذات الذاكرة العالية (MHFs) إلى مجموعتين مختلفتين بناءً على أنماط تقييمها: دوال التشفير ذات الذاكرة العالية المعتمدة على البيانات (dMHF) ودوال التشفير ذات الذاكرة العالية غير المعتمدة على البيانات (iMHF). على عكس دوال iMHF، يعتمد نمط الوصول إلى الذاكرة في دوال dMHF على مُدخلات الدالة، مثل كلمة المرور المُقدمة لدالة اشتقاق المفتاح. ^{[ 8 ]} من أمثلة دوال dMHF: scrypt و Argon2d ، بينما من أمثلة دوال iMHF: Argon2i و catena . صُممت العديد من هذه الدوال لتُستخدم كدوال تجزئة كلمات المرور نظرًا لصعوبة الوصول إلى الذاكرة فيها.

تتمثل إحدى المشكلات البارزة في خوارزميات التشفير الديناميكية للذاكرة (dMHFs) في قابليتها للهجمات الجانبية، مثل هجمات توقيت ذاكرة التخزين المؤقت. وقد أدى ذلك إلى تفضيل استخدام خوارزميات التشفير الديناميكية للذاكرة (iMHFs) عند تشفير كلمات المرور. ومع ذلك، فقد ثبت رياضياً أن خوارزميات التشفير الديناميكية للذاكرة (iMHFs) تتمتع بخصائص أمان ذاكرة أضعف من خوارزميات التشفير الديناميكية للذاكرة (dMHFs). ^{[ 9 ]}