【OpenSSL】单向散列函数

什么是单向散列函数

1. 任意长度数据生成固定长度是散列
2. 快速计算
3. 消息变化散列变化
4. 单向不可逆，抗碰撞

应用场景

1. 文件完整性
2. 口令加密
3. 消息认证
4. 伪随机数
5. 配合非对称加密做数字签名
6. 比特币工作量证明

单向hash抗碰撞

弱抗碰撞

给定X和hash值的情况下，找到另外个数，hash值相同。

强抗碰撞

• 找到散列值相同的两个字符串
• MD5,SHA-1已经被攻破可以找到相同散列值的不同消息

常用的Hash算法

• MD5
• SHA1
• SHA2(SHA-256 SHA-384 SHA-512)
• SHA3 Keccak256 选举产生
• 国密SM3

MD5算法

• 消息摘要(Message Digest)
• 产生128比特(16字节) 散列值（RFC1321)
• 强抗碰撞已经被破, 2004年王小云攻破
• 已经不安全， 如果应用加salt
• 历史系统最广泛，效率高

原理

1. 补结尾处的字节， 取余448，补1后再补0,补足到448位
2. 剩余64位做存储原始数据的长度
3. 初始化MD缓冲, A: 01 23 45 67,B:89 1b cd ef …
4. 4个函数处理消息块

Open SSL实现MD5

#include 
#include 

using namespace std;

//将二进制转换成16进制的文本字符
string char2Hex(unsigned char *out,  int len)
{
	const unsigned char hex_chars[] = "0123456789ABCDEF";
	string result;
	for (int i = 0; i < len; i++) 
	{
		unsigned char ch = out[i];
		unsigned int hc = (ch >> 4) & 0xf;
		unsigned int lc = ch & 0x0f;
		//采用大端存储的方式拼接
		result += hex_chars[hc];
		result += hex_chars[lc];
	}
	return result;
}

string MD5Hash(unsigned char *data, size_t len)
{
	//初始化MD5环境
	MD5_CTX ctx;
	MD5_Init(&ctx);

	// 计算MD5hash数据
	MD5_Update(&ctx, data, len);

	//读取数据
	unsigned char out[16] = { 0 }; // 只有16个字节
	//把数据读取到out中
	MD5_Final(out, &ctx);
	return char2Hex(out, 16);
}

//采用简化模式实现MD5
string MD5HashSimple(unsigned char* data, size_t len)
{
	//读取数据
	unsigned char out[16] = { 0 }; // 只有16个字节
	//把数据读取到out中
	MD5(data, len, out);
	return char2Hex(out, 16);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	unsigned char data[] = "测试md5数据";
	int len = sizeof(data);
	string result = MD5Hash(data, len);
	cout <<"MD5:"<

计算文件的MD5值

string GetFileListHash(string filepath) 
{
	string hash;
	/ 以二进制方式
	ifstream ifs(filepath, ios::binary);
	if (!ifs)
		return hash;

	int block_size = 128;
	// 文件读取buf
	unsigned char buf[1024] = { 0 };
	//hash输出
	unsigned char out[1024] = { 0 };
	while (!ifs.eof())
	{
		ifs.read((char*)buf, block_size);
		int read_size = ifs.gcount();
		if (read_size < 0)
		{ 
			break; 
		}
		MD5(buf, read_size, out);
		hash.insert(hash.end(), out, out + 16);
	}
	ifs.close();
	MD5((unsigned char*)hash.data(), hash.size(), out);
	return char2Hex(out, 16);
}

SHA-1算法

• 安全散列算法(Secure Hash Algorithm)
• 消息摘要（Message Digest)
• 产生160比特(20字节) 散列值H0 H1 H2 H3 H4。
• 强抗碰撞已经攻破， 在2005年王小云攻破。
• 和MD5一样都是由MD4导出。

代码演示

代码实现与MD5类似, 分为三步.

1. 初始化SHA上下文
2. 对数据进行hash计算
3. 读取hash计算结果
   代码如下:

string SHA1Hash(unsigned char* data, size_t len)
{
	// 首先也是初始化SHA1的上下文
	SHA_CTX ctx;
	SHA1_Init(&ctx);

	// 编码数据
	SHA1_Update(&ctx, data, len);
	//读取数据
	unsigned char out[20];
	SHA1_Final(out, &ctx);
	//将字节内容转换为字符
	return char2Hex(out, 20);
}

同样，为了方便调用,open ssl对上述过程进行了封装。仅用一个SHA1函数即可实现以上3步。测试代码如下

//简化函数实现SHA1
string SHA1HashSimple(unsigned char* data, size_t len)
{
	unsigned char out[20];
	SHA1(data, len, out);
	return char2Hex(out, 20);
}

测试:

int main(int argc, char* argv[])
{
	// --- 测试MD5
	unsigned char data[] = "测试md5数据";
	int len = sizeof(data);
	// 测试SHA1
	string hash = SHA1Hash(data, len);
	cout << "SHA1:\t" << hash << endl;

	//简介函数测试
	hash = SHA1HashSimple(data, len);
	cout << "SHA1:\t" << hash << endl;
	return 0;
}

运行结果:

使用sha1测试Merkle Tree算法

//文件可信树
string GetFileMerkleHash(string filepath)
{
	string hash;
	// 存放hash列表， 后面所有结果都存在其中
	vector hashs;
	ifstream ifs(filepath, ios::binary);
	if (!ifs)
	{
		cout << "文件" << filepath << "不存在" << endl;
		return hash;
	}

	unsigned char buf[1024] = { 0 };
	unsigned char out[1024] = { 0 };
	int block_size = 128;
	while (!ifs.eof())
	{
		ifs.read((char*)buf, block_size);
		int read_size = ifs.gcount();
		if (read_size <= 0)
		{
			break;
		}
		SHA1(buf, read_size, out);
		hashs.push_back(string(out, out + 20));
	}
	while (hashs.size() > 1) // ==1表示已经计算到root节点
	{
		// 不是二的倍数补节点(二叉树)
		if (hashs.size() & 1)
		{
			hashs.push_back(hashs.back());
		}
		// 把hash结果的hash结果还吸入到hashs中
		for (int i = 0; i < hashs.size() / 2; i++)
		{
			// 两个节点拼起来, i表示的父节点
			string tmp_hash = hashs[i * 2]; // 左节点
			tmp_hash += hashs[i * 2 + 1]; // 右节点
			SHA1((const unsigned char*)tmp_hash.data(), tmp_hash.size(), out);
			// 写入结果
			hashs[i] = string(out, out + 20);
		}
		// hash列表删除上一次多余的hash值
		hashs.resize(hashs.size() / 2);
	}

	if (hashs.size() == 0) return hash;
	return char2Hex((unsigned char*)hashs[0].data(), 20);
}

SHA-2算法

类别	SHA-1	SHA-224	SHA-256	SHA-384	SHA-512
消息摘要长度	160	224	256	384	512
消息长度	小于$2^{64}$位	小于$2^{64}$位	小于$2^{64}$位	小于$2^{128}$位	小于$2^{128}$位
分组长度	512	512	512	1024	1024
计算字长度	32	32	32	64	64
计算步骤数	80	64	64	80	80

• 消息填充摸512与448同余补充消息长度。
• 初始化链接变量 缓冲区用8个32位寄存器（SHA256）
• 取自前8个素数(2、3、5、7、11、13、17、19）的平方根的小数部分其二进制表示的前32位$8\ast 32=256$.
• SHA512是用64位寄存器
• 以512位(64）分组位单位处理， 进行64步循环， SHA512以1024(128)位为以个分组
• SHA-384和SHA-512也都有6个迭代函数

string SHA256Hash(const unsigned char* data, size_t len) 
{
	// 初始化SHA256的上下文
	SHA256_CTX ctx;
	SHA256_Init(&ctx);
	
	// 开始写入数据
	SHA256_Update(&ctx, data, len);

	// 读取数据
	unsigned char out[32] = {0};
	SHA256_Final(out, &ctx);
	return char2Hex(out, 32);
}
string SHA256HashSimple(const unsigned char* data, size_t len) 
{
	unsigned char out[32];
	SHA256(data, len, out);
	return char2Hex(out, 32);
}

SHA-3算法

海绵结构， 把数据压到海绵里面。

1. 填充，
2. 分组4组
3. 与初始值异或