SHA-256 คืออะไร ? รู้จักฟังก์ชันการเข้ารหัสลับ การทำงาน ข้อดี-ข้อเสีย

SHA-256 คืออะไร ?

ในยุคที่การขับเคลื่อนด้วยเทคโนโลยีดิจิทัลเป็นไปอย่างรวดเร็ว ข้อมูลได้กลายเป็นสินทรัพย์ที่มีมูลค่าสูงที่สุดสำหรับทุกองค์กร และอุตสาหกรรม ไม่ว่าจะเป็นระบบการเงินระดับโลก โครงสร้างพื้นฐานบนระบบ คลาวด์ (Cloud) หรือ ระบบไร้ศูนย์กลาง (Decentralized App - dApp) อย่างไรก็ตาม เมื่อการพึ่งพาการทำธุรกรรมออนไลน์, การสื่อสารระยะไกล และระบบอัตโนมัติเพิ่มมากขึ้น ความเสี่ยงต่อการถูกโจมตีทางไซเบอร์, การแอบแก้ไขเปลี่ยนแปลงข้อมูล และการเข้าถึงโดยไม่ได้รับอนุญาตก็ขยายตัวขึ้นเป็นเงาตามตัว, การปกป้องความถูกต้องสมบูรณ์, ความถูกต้องของแหล่งที่มา และการปฏิเสธความรับผิดชอบไม่ได้ (Non-repudiation) จึงไม่ใช่แค่เรื่องของเทคโนโลยีสารสนเทศทั่วไป แต่กลายเป็นรากฐานสำคัญของความน่าเชื่อถือในโลกดิจิทัล

เบื้องหลังกลไกการป้องกันทางไซเบอร์เหล่านี้คือ วิทยาการเข้ารหัสลับ (Cryptography) โดยเฉพาะฟังก์ชัน แฮช (Hash) เชิงวิทยาการเข้ารหัสลับที่ถูกออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันทางคณิตศาสตร์ และในบรรดาลูกเล่นทางคณิตศาสตร์ทั้งหมด SHA-256 ถือเป็นอัลกอริทึมมาตรฐานที่ได้รับความไว้วางใจ และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายที่สุด ด้วยความสามารถในการสร้าง "ลายนิ้วมือดิจิทัล" ที่มีขนาดคงที่ และเป็นเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับข้อมูลทุกรูปแบบ ไม่ว่าข้อมูลนั้นจะมีขนาดเล็ก หรือใหญ่เพียงใด ทำให้การดัดแปลงข้อมูลเพียงนิดเดียวสามารถถูกตรวจพบได้ทันที

ดังนั้นการทำความเข้าใจ SHA-256 ทั้งในแง่ของหลักการทำงาน, ความแข็งแกร่งทางคณิตศาสตร์ และบทบาทในการขับเคลื่อนโครงสร้างพื้นฐานยุคใหม่ จึงเป็นสิ่งสำคัญในการเข้าใจรากฐานความปลอดภัยของโลกดิจิทัลในปัจจุบัน

SHA-256 คืออะไร ? (What is SHA-256 ?)

SHA-256 ย่อมาจาก Secure Hash Algorithm 256-Bit เป็นฟังก์ชันแฮชเชิงวิทยาการเข้ารหัสลับ (Cryptographic Hash Function) ที่อยู่ในตระกูล SHA-2 ถูกออกแบบโดยสำนักงานความมั่นคงแห่งชาติสหรัฐฯ (NSA) และตีพิมพ์โดยสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐฯ (NIST)

หน้าที่ของ SHA-256 คือ การนำข้อมูลขาเข้า (Input / Message) ขนาดใดก็ได้ ไม่ว่าจะเป็นข้อความสั้น ๆ, ไฟล์เอกสาร หรือข้อมูลขนาดหลายกิกะไบต์ มาผ่านกระบวนการทางคำนวณเพื่อแปลงให้อยู่ในรูปของค่าแฮช (Hash Value หรือ Digest) ขนาด 256 บิต (32 ไบต์) ซึ่งมักจะแสดงผลในรูปของรหัสฐานสิบหก ความยาว 64 ตัวอักษร

ข้อสังเกตสำคัญคือ SHA-256 ไม่ใช่ การเข้ารหัส (Encryption) เพราะการเข้ารหัส เป็นกระบวนการแบบสองทาง ที่สามารถใช้กุญแจถอดรหัสกลับมาเป็นข้อมูลเดิมได้ แต่เป็นการแฮช (Hashing) ซึ่งเป็นกระบวนการแบบทางเดียว ที่ไม่สามารถย้อนกลับไปหาข้อมูลต้นฉบับได้

ภาพจาก : https://medium.com/systemdesign-us-blog/hashing-vs-encryption-755244c71e46

คุณสมบัติของ SHA-256 (Key Properties of SHA-256)

SHA-256 มีคุณสมบัติหลักทางคณิตศาสตร์ที่ทำให้เหมาะสำหรับการรักษาความปลอดภัยข้อมูล

• การคำนวณหาค่าแฮชจากข้อมูลทำได้ง่าย และรวดเร็ว แต่ไม่สามารถถอดรหัสย้อนกลับจากค่าแฮชเพื่อหาข้อมูลต้นฉบับได้
• ข้อมูลขาเข้าชุดเดียวกัน ไม่ว่าจะนำมาผ่าน SHA-256 กี่ครั้ง จะได้ค่าแฮชเดิมเสมอ
• หากข้อมูลขาเข้าเปลี่ยนแปลงไปเพียงบิตเดียว เช่น เปลี่ยนตัวอักษรเล็กเป็นตัวอักษรใหญ่ หรือเพิ่มจุดเพียงจุดเดียว ค่าแฮชที่ได้จะเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง
• ตามหลักคณิตศาสตร์ การหาข้อมูลสองชุดที่แตกต่างกันแต่ให้ค่า SHA-256 เท่ากันนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย เพราะมีความเป็นไปได้มากถึง 2²⁵⁶ รูปแบบ
• ไม่ว่าข้อมูลขาเข้าจะยาวเท่าใด ผลลัพธ์ที่ได้จะมีขนาด 256 บิต หรือ 64 ตัวอักษรในฐานสิบหก เสมอ

SHA-256 ทำงานอย่างไร ? (How does SHA-256 work ?)

กระบวนการทำงานของ SHA-256 ประกอบด้วยขั้นตอนการประมวลผลข้อมูลอย่างเป็นระบบ ดังนี้

1. ปรับขนาดข้อมูล

ข้อมูลขาเข้าจะถูกแปลงเป็นเลขฐานสอง (Binary) จากนั้นจะถูกเติม Bit 1 และตามด้วย Bit 0 จนกระทั่งความยาวของข้อมูลขาดอีก 64 บิต จะครบพหุคูณ (ผลคูณที่ได้จากการนำจำนวนใด ๆ ไปคูณกับจำนวนเต็มต่าง ๆ) ของ 512 บิต

2. ระบุความยาวข้อมูล

นำความยาวของข้อมูลเดิม ก่อนที่จะทำ Padding หรือการเติมข้อมูลส่วนเกิน จำนวน 64 บิต ต่อท้ายลงไป ทำให้ชุดข้อมูลทั้งหมดมีความยาวเป็นพหุคูณของ 512 บิตพอดี

3. กำหนดค่าเริ่มต้น

กำหนดค่าเริ่มต้น 8 ค่า ตั้งแต่ $H_0$ ถึง $H_7$ ซึ่งเป็นส่วนทศนิยมของรากที่สองของจำนวนเฉพาะ 8 ตัวแรก และกำหนดค่าคงที่ประจำรอบ 64 ค่า ตั้งแต่ $K_0$ ถึง $K_63$  จากรากที่สามของจำนวนเฉพาะ 64 ตัวแรก

4. แบ่งบล็อก และการสร้าง Message Schedule

แบ่งข้อมูลออกเป็นบล็อก บล็อกละ 512 บิต แต่ละบล็อกจะถูกนำมาสร้างเป็นชุดคำนวณย่อย 64 ชุด 

5. คำนวณ และบีบอัดข้อมูล

ทำกระบวนการวนลูปจำนวน 64 รอบ โดยใช้การดำเนินการระดับบิต เช่น ROTR (Right Rotate), SHR (Right Shift), XOR, AND และการบวกแบบ Modular Addition เพื่อผสมผสานข้อมูลลงไปในสถานะแฮช

6. สร้างผลลัพธ์สุดท้าย

เมื่อประมวลผลครบทุกบล็อกก้อนละ 512 บิต ค่าที่ได้จาก $H_0$ ถึง $H_7$ จะถูกนำมารวมกันเป็นค่าแฮชขนาด 256 บิต หรือ 64 ตัวอักษรฐานสิบหก

SHA-256 ถูกนำไปใช้อะไรบ้าง ? (Applications of SHA-256)

ความปลอดภัยและความรวดเร็วทำให้ SHA-256 ถูกประยุกต์ใช้ในโครงสร้างพื้นฐานดิจิทัลมากมาย ตัวอย่างที่พบเห็นได้บ่อยในชีวิตประจำวัน ก็อย่างเช่น

บล็อกเชน และคริปโทเคอร์เรนซี

SHA-256 คือ หัวใจหลักของกลไก Proof-of-Work (PoW) ในการขุด บิตคอยน์ (Bitcoin) และใช้เชื่อมโยงบล็อกข้อมูลในบล็อกเชนไม่ให้ถูกแก้ไข

ใบรับรองความปลอดภัย และ SSL/TLS

ใช้ในการสร้าง ลายเซ็นอิเล็กทรอนิกส์ (E-Signarue) สำหรับใบรับรอง HTTPS มาตรฐาน Secure Sockets Layer (SSL) และ Transport Layer Security (TLS) บนเว็บไซต์

การตรวจสอบความถูกต้องของไฟล์

เมื่อดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ หรือไฟล์ขนาดใหญ่ ผู้พัฒนาจะให้ค่า Checksum (SHA-256) มาด้วย เพื่อให้ผู้ใช้ตรวจสอบว่าไฟล์ไม่ถูกดัดแปลง หรือเสียหายระหว่างดาวน์โหลด

ลายเซ็นดิจิทัล และการยืนยันตัวตน

ใช้ร่วมกับระบบสร้างลายเซ็นดิจิทัล เช่น RSA หรือ ECDSA เพื่อยืนยันความถูกต้องของเอกสาร

ระบบจัดการเวอร์ชัน

ระบบอย่าง ระบบ Git ใช้การแฮชเพื่อระบุการเปลี่ยนแปลงของ โค้ดต้นฉบับ (Source-Code) และติดตาม Commit

ข้อดี-ข้อเสีย ของ SHA-256 (Pros and Cons of SHA-256)

ข้อดี

• ความปลอดภัยสูงมาก ในปัจจุบันยังไม่พบช่องโหว่การโจมตีการชนกันของข้อมูล (Collision) ในทางปฏิบัติ
• ได้รับการยอมรับเป็นมาตรฐานสากล: ตรวจสอบและอนุมัติโดย NIST (FIPS 180-4)
• ทนทานต่อการประมวลผลของควอนตัมคอมพิวเตอร์ (Quantum Resistance) แม้ค่าความปลอดภัยของ SHA-256 จะลดลงเหลือประมาณ 128 บิต แต่มันก็ยังคงปลอดภัยอยู่ในระดับปฏิบัติการ และใช้งานทั่วไป
• ประมวลผลได้รวดเร็ว เหมาะสำหรับระบบที่ต้องการตรวจเช็กความถูกต้องของข้อมูลปริมาณมาก

ข้อจำกัด

• ไม่เหมาะสำหรับการเก็บรหัสผ่าน (Password Hashing) เพียงอย่างเดียว เนื่องจาก SHA-256 ออกแบบมาให้ทำงานได้รวดเร็ว ผู้โจมตีจึงสามารถใช้เทคนิค Brute Force Attack หรือ Rainbow Tables สุ่มรหัสผ่านได้หลายพันล้านครั้งต่อวินาที
• หากจำเป็นต้องเก็บรหัสผ่าน ควรใช้ฟังก์ชันแฮชที่ถูกออกแบบมาเฉพาะ เช่น bcrypt, Argon2, PBKDF2 หรือ scrypt ที่มีกระบวนการชะลอความเร็ว และใส่ Salt

ภาพจาก : https://en.wikipedia.org/wiki/Rainbow_table

• ไม่สามารถถอดรหัสกลับได้ ทำให้ไม่สามารถใช้ในงานที่ต้องการกู้คืนข้อมูลเดิมได้

ประวัติความเป็นมาของ SHA-256 (History and Evolution of SHA-256)

ยุค SHA-0 และ SHA-1 ค.ศ. 1993-1995 (พ.ศ. 2536-2538)

สถาบัน NIST ร่วมกับ NSA เปิดตัว SHA-0 และ SHA-1 ตามลำดับ ซึ่ง SHA-1 ได้รับความนิยมสูง และมีขนาดผลลัพธ์ 160 บิต

เปิดตัวตระกูล SHA-2 ค.ศ. 2001 (พ.ศ. 2544)

NIST เผยแพร่มาตรฐาน FIPS PUB 180-2 ซึ่งเปิดตัวตระกูล SHA-2 ประกอบด้วย SHA-224, SHA-256, SHA-384 และ SHA-512 เพื่อเพิ่มความปลอดภัยทดแทนอัลกอริทึมรุ่นเก่า

การยกเลิก SHA-1 ค.ศ. 2017 (พ.ศ. 2560)

นักวิจัยสามารถสร้าง Collision บน SHA-1 ได้สำเร็จ (SHAttered Attack) ส่งผลให้อุตสาหกรรมเทคโนโลยีทยอยยกเลิก SHA-1 และย้ายมาใช้ SHA-256 เป็นมาตรฐานหลักจนถึงปัจจุบัน

สรุปเกี่ยวกับ SHA-256 (Conclusion of SHA-256)

โดยสรุปแล้ว SHA-256 เป็นฟังก์ชันแฮชเชิงวิทยาการเข้ารหัสลับแบบทางเดียวที่มีประสิทธิภาพ และความปลอดภัยสูง ด้วยคุณสมบัติในการสร้างค่าแฮชคงที่ขนาด 256 บิต ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงข้อมูลได้อย่างไว SHA-256 จึงกลายเป็นโครงสร้างพื้นฐานสำคัญของโลกดิจิทัลในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็นระบบบล็อกเชน ใบรับรองความปลอดภัย HTTPS หรือการยืนยันความถูกต้องของข้อมูล

เมื่อมองไปในอนาคต แม้เทคโนโลยีการประมวลผลจะก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว และการมาถึงของควอนตัมคอมพิวเตอร์ (Quantum Computing) จะเริ่มสร้างความท้าทายต่อระบบเข้ารหัสแบบเดิม แต่ SHA-256 ก็ยังคงมีความทนทานทางคณิตศาสตร์สูง (Quantum-Resistant) ต่อการโจมตีพื้นฐาน ด้วยระดับความปลอดภัยที่ยังคงแข็งแกร่งเกินกว่าที่เทคโนโลยีในปัจจุบันจะทำลายได้ SHA-256 จึงจะยังคงรับหน้าที่เป็นมาตรฐานหลักในการปกป้องความถูกต้องสมบูรณ์ของข้อมูล และเป็นเสาหลักแห่งความเชื่อมั่นในโลกดิจิทัลต่อไปอีกนานหลายปี