5.1 Hash算法与数字摘要

5.1.1　Hash定义

Hash（哈希或散列）算法是非常基础也非常重要的计算机算法，它能将任意长度的二进制明文串映射为较短的（通常是固定长度的）二进制串（Hash值），并且不同的明文很难映射为相同的Hash值。

例如计算一段话“hello blockchain world，this is yeasy@github”的SHA-256 Hash值。

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$ echo "hello blockchain world, this is yeasy@github"|shasum -a 256
db8305d71a9f2f90a3e118a9b49a4c381d2b80cf7bcef81930f30ab1832a3c90

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这意味着对于某个文件，无需查看其内容，只要其SHA-256 Hash计算后结果同样为 db8305d71a9f2f90a3e118a9b49a4c381d2b80cf7bcef81930f30ab1832a3c90，则说明文件内容 极大概率上就是“hello blockchain world，this is yeasy@github”。

Hash值在应用中又常被称为指纹（fingerprint）或摘要（digest）。Hash算法的核心思想也经常被应用到基于内容的编址或命名算法中。

一个优秀的Hash算法将能实现如下功能：

·正向快速： 给定明文和Hash算法，在有限时间和有限资源内能计算得到Hash值；

·逆向困难： 给定（若干）Hash值，在有限时间内很难（基本不可能）逆推出明文；

·输入敏感： 原始输入信息发生任何改变，新产生的Hash值都应该出现很大不同；

·冲突避免： 很难找到两段内容不同的明文，使得它们的Hash值一致（发生碰撞）。

冲突避免有时候又称为“抗碰撞性”，分为“弱抗碰撞性”和“强抗碰撞性”。如果给定明文前提下，无法找到与之碰撞的其他明文，则算法具有“弱抗碰撞性”；如果无法找到任意两个发生Hash碰撞的明文，则称算法具有“强抗碰撞性”。

很多场景下，也往往要求算法对于任意长的输入内容，可以输出定长的Hash值结果。

5.1.2　常见算法

目前常见的Hash算法包括MD5和SHA系列算法。

MD4（RFC 1320）是MIT的Ronald L.Rivest在1990年设计的，MD是Message Digest的缩写。其输出为128位。MD4已被证明不够安全。

MD5（RFC 1321）是Rivest于1991年对MD4的改进版本。它对输入仍以512位进行分组，其输出是128位。MD5比MD4更加安全，但过程更加复杂，计算速度要慢一点。MD5已被证明不具备“强抗碰撞性”。

SHA（Secure Hash Algorithm）并非一个算法，而是一个Hash函数族。NIST（National Institute of Standards and Technology）于1993年发布其首个实现。目前知名的SHA-1算法在1995年面世，它的输出为长度160位的Hash值，抗穷举性更好。 SHA-1设计时模仿了MD4算法，采用了类似原理。SHA-1已被证明不具备“强抗碰撞性”。

为了提高安全性，NIST还设计出了SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512算法（统称为SHA-2），跟SHA-1算法原理类似。SHA-3相关算法也已被提出。

目前，MD5和SHA1已经被破解，一般推荐至少使用SHA2-256或更安全的算法。

提示 　MD5是一个经典的Hash算法，和SHA-1算法一起都被认为安全性已不足应用于商业场景。

5.1.3　性能

Hash算法一般都是计算敏感型的。意味着计算资源是瓶颈，主频越高的CPU运行Hash算法的速度也越快。因此可以通过硬件加速来提升Hash计算的吞吐量。例如采用FPGA来计算MD5值，可以轻易达到数十Gbps的吞吐量。

也有一些Hash算法不是计算敏感型的。例如scrypt算法，计算过程需要大量的内存资源，节点不能通过简单地增加更多CPU来获得Hash性能的提升。这样的Hash算法经常用在避免算力攻击的场景。

5.1.4　数字摘要

顾名思义，数字摘要是对数字内容进行Hash运算，获取唯一的摘要值来指代原始完整的数字内容。数字摘要是Hash算法最重要的一个用途。利用Hash函数的抗碰撞性特点，数字摘要可以解决确保内容未被篡改过的问题。

细心的读者可能会注意到，从网站下载软件或文件时，有时会提供一个相应的数字摘要值。用户下载原始文件后可以在本地自行计算摘要值，并与提供的摘要值进行比对，可检查文件内容是否被篡改过。

5.1.5　Hash攻击与防护

Hash算法并不是一种加密算法，不能用于对信息的保护。但Hash算法常用于对口令的保存上。例如用户登录网站需要通过用户名和密码来进行验证。如果网站后台直接保存用户的口令明文，一旦数据库发生泄露后果不堪设想。大量用户倾向于在多个网站选用相同或关联的口令。

利用Hash的特性，后台可以仅保存口令的Hash值，这样每次比对Hash值一致，则说明输入的口令正确。即便数据库泄露了，也无法从Hash值还原回口令，只有进行穷举测试。

然而，由于有时用户设置口令的强度不够，只是一些常见的简单字符串，如password、123456等。有人专门搜集 了这些常见口令，计算对应的Hash值，制作成字典。这样通过Hash值可以快速反查到原始口令。这一类型以空间换时间的攻击方法包括字典攻击和彩虹表攻 击（只保存一条Hash链的首尾值，相对字典攻击可以节省存储空间）等。

为了防范这一类攻击，一般采用加盐（salt）的方法。保存的不是口令明文的Hash值，而是口令明文再加上一段随机字符串（即“盐”）之后的Hash值。Hash结果和“盐”分别存放在不同的地方，这样只要不是两者同时泄露，攻击者就很难破解了。

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