加密与安全：2.哈希

2. 哈希

哈希算法又称为摘要算法（Digest）,可以对任意一组数据进行计算，生成一个固定长度的摘要.
它有两个特点：

• 相同的输入一定得到相同的输出
• 不同的输入大概率得到不同的输出

这点和布隆过滤器有些相似.

哈希主要为了验证原始数据是否被篡改.

java中Object的hashcode()就是一个哈希算法,hashMap就是基于hashcode定位.

两个相同的字符串永远会计算出相同的哈希，这也是为什么当我们自定义个一个对象的时候覆写equals()时必须正确覆写hashCode().

1.1 哈希碰撞

因为哈希的运算原理是摘要，所以一定会产生哈希碰撞。

碰撞并不可怕，我们需要控制的是碰撞的概率，碰撞概率大小决定哈希算法的安全.
一个好的哈希算法必须满足：

• 碰撞概率低
• 不能猜测输出

如果一个哈希算法如下规律，则明显不是一个安全的哈希算法

hash("java1")="123"
hash("java2")="124"
hash("java3")="125"

常见的哈希算法有md5,sha-1,sha-2,sha-3
其中SHA-224、SHA-256、SHA-512都是sha-2家族的一员.
sha-1和sha-2有相似的设计，sha-3是sha-3竞赛获胜算法，与前两代sha算法无关.

算法	输出长度（位）
MD5	128bits
SHA-1	160bits
SHA-256	256bits
SHA-512	512bits

MD5因为输出长度较短，短时间内破解是可能的，目前已经不推荐使用(王小云-2004碰撞新方法^[1])
sha-1（google-2017产生碰撞的pdf^[2]在安全要求较高的应用上也逐步被淘汰.

Java标准库提供了常用的哈希算法，并且有一套统一的接口，在java中可以使用如下代码生成md5：

import java.security.MessageDigest;
…
    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
    // 可以多次调用update输入更多数据:
    md.update("1234".getBytes("UTF-8"));
    md.update("5678".getBytes("UTF-8"));
    byte[] result = md.digest(); // 20 bytes:25d55ad283aa400af464c76d713c07ad

1.2 哈希算法的用途

1.下载软件的时候，网站常常提供md5、sha-1,供用户对比原始文件是否遭到替换篡改。

在maven的repository中的目录结构

spring-boot-2.5.6.jar       spring-boot-2.5.6.pom
spring-boot-2.5.6.jar.sha1  spring-boot-2.5.6.pom.sha1

2.哈希算法的另一个重要用途是存储用户口令，密码经过hash加盐计算后，就防止

• 数据库管理员看到用户明文密码
• 数据库一旦泄漏，防止用户明文密码泄漏。

使用哈希口令时要注意彩虹表攻击。

什么是彩虹表？黑客拿到md5需要反推明文，只能暴力破解。
这样需要消耗大量的算力时间。实际可以使用一个与先计算好的常用口令对照表：

原文             md5 
12345678        25d55ad283aa400af464c76d713c07ad
passw0rd        bed128365216c019988915ed3add75fb
19700101        570da6d5277a646f6552b8832012f5dc

这就是彩虹表.

彩虹表的防御可以针对每个用户产生随即盐值，这样即使用户使用了常用口令，也无法反推原始口令.

1.3 java hash算法使用

上面已经介绍了在java中如何使用md5，如果要使用sha-1则只需要，替换传入的算法名称

import java.security.MessageDigest;
…
    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("sha-1");
    // 可以多次调用update输入更多数据:
    md.update("1234".getBytes("UTF-8"));
    md.update("5678".getBytes("UTF-8"));
    byte[] result = md.digest();

Java标准库支持的所有哈希算法可以在这里^[3]查到

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1. 王小云 https://zh.m.wikipedia.org/zh-cn/%E7%8E%8B%E5%B0%8F%E9%9B%B2 ↩

2. sha-1 https://zh.wikipedia.org/wiki/SHA-1 ↩

3. Java标准库支持的所有哈希算法 https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/specs/security/standard-names.html#messagedigest-algorithms ↩