加密与安全——哈希算法

哈希算法（Hash）又称摘要算法（Digest），它的作用是：对任意一组输入数据进行计算，得到一个固定长度的输出摘要。

哈希算法最重要的特点就是：

• 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。

哈希算法的目的就是为了验证原始数据是否被篡改。

Java字符串的hashCode()就是一个哈希算法，它的输入是任意字符串，输出是固定的4字节int整数：

"hello".hashCode(); // 0x5e918d2
"hello, java".hashCode(); // 0x7a9d88e8
"hello, bob".hashCode(); // 0xa0dbae2f

两个相同的字符串永远会计算出相同的hashCode，否则基于hashCode定位的HashMap就无法正常工作。这也是为什么当我们自定义一个class时，覆写equals()方法时我们必须正确覆写hashCode()方法。

哈希碰撞

哈希碰撞是指，两个不同的输入得到了相同的输出：

"AaAaAa".hashCode(); // 0x7460e8c0
"BBAaBB".hashCode(); // 0x7460e8c0

有童鞋会问：碰撞能不能避免？答案是不能。碰撞是一定会出现的，因为输出的字节长度是固定的，String的hashCode()输出是4字节整数，最多只有4294967296种输出，但输入的数据长度是不固定的，有无数种输入。所以，哈希算法是把一个无限的输入集合映射到一个有限的输出集合，必然会产生碰撞。

碰撞不可怕，我们担心的不是碰撞，而是碰撞的概率，因为碰撞概率的高低关系到哈希算法的安全性。一个安全的哈希算法必须满足：

• 碰撞概率低；
• 不能猜测输出。

不能猜测输出是指，输入的任意一个bit的变化会造成输出完全不同，这样就很难从输出反推输入（只能依靠暴力穷举）。假设一种哈希算法有如下规律：

hashA("java001") = "123456"
hashA("java002") = "123457"
hashA("java003") = "123458"

那么很容易从输出123459反推输入，这种哈希算法就不安全。安全的哈希算法从输出是看不出任何规律的：

hashB("java001") = "123456"
hashB("java002") = "580271"
hashB("java003") = ???

常用的哈希算法有：

根据碰撞概率，哈希算法的输出长度越长，就越难产生碰撞，也就越安全。

Java标准库提供了常用的哈希算法，并且有一套统一的接口。我们以MD5算法为例，看看如何对输入计算哈希：

import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = md.digest(); // 16 bytes: 68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

使用MessageDigest时，我们首先根据哈希算法获取一个MessageDigest实例，然后，反复调用update(byte[])输入数据。当输入结束后，调用digest()方法获得byte[]数组表示的摘要，最后，把它转换为十六进制的字符串。

运行上述代码，可以得到输入HelloWorld的MD5是68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6。

哈希算法的用途

因为相同的输入永远会得到相同的输出，因此，如果输入被修改了，得到的输出就会不同。

我们在网站上下载软件的时候，经常看到下载页显示的哈希：

如何判断下载到本地的软件是原始的、未经篡改的文件？我们只需要自己计算一下本地文件的哈希值，再与官网公开的哈希值对比，如果相同，说明文件下载正确，否则，说明文件已被篡改。

哈希算法的另一个重要用途是存储用户口令。如果直接将用户的原始口令存放到数据库中，会产生极大的安全风险：

数据库管理员能够看到用户明文口令；
数据库数据一旦泄漏，黑客即可获取用户明文口令。
不存储用户的原始口令，那么如何对用户进行认证？

方法是存储用户口令的哈希，例如，MD5。

在用户输入原始口令后，系统计算用户输入的原始口令的MD5并与数据库存储的MD5对比，如果一致，说明口令正确，否则，口令错误。

因此，数据库存储用户名和口令的表内容应该像下面这样：

这样一来，数据库管理员看不到用户的原始口令。即使数据库泄漏，黑客也无法拿到用户的原始口令。想要拿到用户的原始口令，必须用暴力穷举的方法，一个口令一个口令地试，直到某个口令计算的MD5恰好等于指定值。

使用哈希口令时，还要注意防止彩虹表攻击。

什么是彩虹表呢？上面讲到了，如果只拿到MD5，从MD5反推明文口令，只能使用暴力穷举的方法。

然而黑客并不笨，暴力穷举会消耗大量的算力和时间。但是，如果有一个预先计算好的常用口令和它们的MD5的对照表：

这个表就是彩虹表。如果用户使用了常用口令，黑客从MD5一下就能反查到原始口令：

bob的MD5：f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1，原始口令：hello123；

alice的MD5：25d55ad283aa400af464c76d713c07ad，原始口令：12345678；

tim的MD5：bed128365216c019988915ed3add75fb，原始口令：passw0rd。

这就是为什么不要使用常用密码，以及不要使用生日作为密码的原因。

即使用户使用了常用口令，我们也可以采取措施来抵御彩虹表攻击，方法是对每个口令额外添加随机数，这个方法称之为加盐（salt）：

digest = md5(salt+inputPassword)

经过加盐处理的数据库表，内容如下：

加盐的目的在于使黑客的彩虹表失效，即使用户使用常用口令，也无法从MD5反推原始口令。

SHA-1

SHA-1也是一种哈希算法，它的输出是160 bits，即20字节。SHA-1是由美国国家安全局开发的，SHA算法实际上是一个系列，包括SHA-0（已废弃）、SHA-1、SHA-256、SHA-512等。

在Java中使用SHA-1，和MD5完全一样，只需要把算法名称改为"SHA-1"：

import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = md.digest(); // 20 bytes: db8ac1c259eb89d4a131b253bacfca5f319d54f2
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

类似的，计算SHA-256，我们需要传入名称"SHA-256"，计算SHA-512，我们需要传入名称"SHA-512"。Java标准库支持的所有哈希算法可以在这里查到。

小结

哈希算法可用于验证数据完整性，具有防篡改检测的功能；

常用的哈希算法有MD5、SHA-1等；

用哈希存储口令时要考虑彩虹表攻击。