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Hash算法的特点、应用和实现方法详解

什么是Hash算法?Hash算法,简称散列算法,也成哈希算法(英译),是将一个大文件映射成一个小串字符。与指纹一样,就是以较短的信息来保证文件的唯一性的标志,这种标志与文件的每一个字节都相关,而且难以找到逆向规律。

Hash算法的特点

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出 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:原始输入信息修改一点信息,产生的 hash 值看起来应该都有很大不同。

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(发生冲突)。即对于任意两个不同的数据块,其hash值相同的可能性极小;对于一个给定的数据块,找到和它hash值相同的数据块极为困难。

Hash算法在信息安全方面的

(1) 文件校验

我们比較熟悉的校验算法有奇偶校验和CRC校验,这2种校验并没有抗数据篡改的能力,它们一定程度上能检測并纠正传输数据中的信道误码,但却不能防止对数据的恶意破坏。

MD5 Hash算法的"数字指纹"特性,使它成为眼下应用最广泛的一种文件完整性校验和(Checksum)算法,不少Unix系统有提供计算md5 checksum的命令。

(2) 数字签名

Hash 算法也是现代password体系中的一个重要组成部分。因为非对称算法的运算速度较慢,所以在数字签名协议中,单向散列函数扮演了一个重要的角色。 对 Hash 值,又称"数字摘要"进行数字签名,在统计上能够觉得与对文件本身进行数字签名是等效的。并且这种协议还有其它的长处。

(3) 鉴权协议

例如以下的鉴权协议又被称作挑战--认证模式:在传输信道是可被侦听,但不可被篡改的情况下,这是一种简单而安全的方法。

Hash算法是如何实现的?

密码学和信息安全发展到现在,各种加密算法和散列算法已经不是只言片语所能解释得了的。在这里我们仅提供几个简单的概念供大家参考。

作为散列算法,首要的功能就是要使用一种算法把原有的体积很大的文件信息用若干个字符来记录,还要保证每一个字节都会对最终结果产生影响。那么大家也许已经想到了,求模这种算法就能满足我们的需要。

事实上,求模算法作为一种不可逆的计算方法,已经成为了整个现代密码学的根基。只要是涉及到计算机安全和加密的领域,都会有模计算的身影。散列算法也并不例外,一种最原始的散列算法就是单纯地选择一个数进行模运算,比如以下程序。

很显然,上述的程序完成了一个散列算法所应当实现的初级目标:用较少的文本量代表很长的内容(求模之后的数字肯定小于8)。但也许你已经注意到了,单纯使用求模算法计算之后的结果带有明显的规律性,这种规律将导致算法将能难保证不可逆性。所以我们将使用另外一种手段,那就是异或。

再来看下面一段程序,我们在散列函数中加入一个异或过程。

很明显的,加入一层异或过程之后,计算之后的结果规律性就不是那么明显了。

当然,大家也许会觉得这样的算法依旧很不安全,如果用户使用连续变化的一系列文本与计算结果相比对,就很有可能找到算法所包含的规律。但是我们还有其他的办法。比如在进行计算之前对原始文本进行修改,或是加入额外的运算过程(如移位),比如以下程序。

这样处理得到的散列算法就很难发现其内部规律,也就是说,我们并不能很轻易地给出一个数,让它经过上述散列函数运算之后的结果等于4——除非我们去穷举测试。

上面的算法是不是很简单?事实上,下面我们即将介绍的常用算法MD5和SHA1,其本质算法就是这么简单,只不过会加入更多的循环和计算,来加强散列函数的可靠性。

常见的Hash算法

主要的Hash实现主要有一下几类,其中MD5和SHA-1是应用最为广泛的Hash算法。

MD4

MD4是MIT的Rivest在1990年设计,MD是信息摘要 Message Digest 的缩写。它是基于32位操作数的位操作来实现的。

MD5

MD5是Rivest在1991年对MD4的改进,MD5比MD4来得复杂,因此速度慢一些,但安全性更好。

SHA-1

SHA-1是由NIST NSA设计的,它对长度小于264位的输入,产生长度位160位的散列值。因此抗穷举性更好。SHA-1模仿了MD4的算法。

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