生日悖论与Hash函数的攻击
生日悖论与Hash函数的攻击
- 生日悖论问题
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- 什么是生日悖论问题
- 生日悖论问题求解
- Hash函数的攻击
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- 两个集合相交问题
- Hash函数的攻击方法
- Yuval攻击
生日悖论问题
什么是生日悖论问题
假定每个人的生日是等概率的，在不考虑闰年的情况下每年有365天。在k个人中至少有两个人的生日相同的概率大于1/2,问k的最小值是多少？
生日悖论问题求解
把每个人的生日看成在[1，365]中的随机变量，由组合基本知识得知k个人的生日不相同的概率为：
设k个人的生日至少有一个相同的概率为P(k)。
当k = 23时，pk ≈ 0.4927，从而P(23) = 1-pk ≈ 0.5073 > 0.5
我们将k的值设置为100，此时，P(100) = 1- pk ≈ 0.9999997，即该事件几乎必然发生。
下表为k取不同值时P(k)的值。
| k | P(k) |
|---|---|
| 10 | 0.1169 |
| 23 | 0.5073 |
| 30 | 0.7063 |
| 40 | 0.8912 |
| 50 | 0.9704 |
| 60 | 0.9941 |
| 100 | 0.9999 |
，在k = 40的时候，P(k)的值竟然已经高达了0.9！这个结果和我们一贯的直觉并不一致。因此被称为生日悖论。
其实，如果从k个人中抽出一个人，其他人与这个特定的人具有相同生日的概率将会是非常的小的，只有365-1。但是，如果我们并不指定特定的日期，仅仅只是寻找两个生日相同的人，那么问题就会非常的容易，在相同的范围内成功的概率也会大得多。
Hash函数的攻击
对于输出长度为128比特的Hash函数求碰撞，便类似于以上我们介绍的生日悖论问题的情况。即：
要找到与一个特定的消息具有相同散列值的另一个消息的概率很小，但是如果不指定特定的散列值，只是在两组消息中找到具有相同散列值的两个消息，那么问题就会简单的多。
两个集合相交问题
已知两个k元集合X={x1，x2，…，xk}，Y={y1，y2，…，y1}，其中xi，yj，1≤i，j≤k是{1，2，…，n}上均匀分布的随机变量。取定xi，如果xi=yj，则称xi和yj匹配。
固定i，j，则yj与xi匹配的概率为n-1，那么其不匹配，即xi≠yj的概率为1-n-1。
Y中所有k个随机变量都不等于xi的概率为(1-n-1)k。
如果X，Y中的k个随机变量两两互不相同，则X与Y中不存在任何匹配的概率为(1-n-1)k*k。
从而X与Y至少有一个匹配的概率为p=1-(1-n-1)k*k。
由数学知识知，当n趋近于无穷时，(1 + x/n) = ex，所以有：p=1-(1-n-1)k×k≈1 - (e-1/n)k×k。
如果我们令p大于0.5，则可求得：k = [(ln2)×n]0.5 ≈ 0.83(n)0.5 ≈ n0.5
Hash函数的攻击方法
“两个集合相交”问题可以转述为：假设Hash函数h输出的长度为m，全部可能的输出有n = 2m个。Hash函数接收k个随机输入产生X，接收另外k个随机输入产生Y。
根据之前的讨论知，当取k = 2m/2时，X与Y至少存在一对匹配的概率大于0.5，即Hash函数产生碰撞的概率大于0.5。由此可知，2m/2将决定输出长度为m的Hash函数H抗碰撞的强度。
在通常情况下，攻击者利用上述原理生成Hash函数碰撞，达成其攻击目的的攻击称为生日攻击，也称为平方根攻击。对于输出长度为m的Hash函数，其攻击复杂度为2m/2。
例如，当Hash被用于数字签名方案以产生消息签名。如果攻击者可以找到两个碰撞的消息x和x’，使得这两个消息的摘要相等，那么攻击者就可以根据需要，使用适当的消息(x或x’)和消息签名相匹配，以达到诬陷、抵赖等目的。
注意：数字签名算法通常是对表达一定含义的消息进行处理，并非随机输入。
Yuval攻击
Yuval攻击的原理是攻击者通过对有意义的消息，加入空格、改变写法或格式，但保持含义不变，产生2m/2个不同的消息变形，即产生一个相同含义的消息组。具体过程如下：
（1）攻击者A准备好合法的消息x，再拟定一个准备替换消息x的假消息x’。
（2）攻击者对消息x产生2m/2个变形的消息（含义不变），同时产生x‘的2m/2个变形消息，计算所有这些消息的Hash值。
（3）比较这两个散列函数值集合，以便发现具有相同散列值的消息。根据生日悖论，两个相交集合问题成功的概率大于0.5.如果没有发现，那么再产生一批合法消息和假消息，直到出现一个匹配为止。
（4）攻击者将消息x发送给签名者A，得到其签名。
（5）用匹配的假消息x’代替x，后面依然附加A的签名，并将其送给接收方B。