单向散列函数

深藏阁楼爱情的钟 2022-11-20 10:53 279阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *   *  （一）介绍
             *  （二）单向散列函数的性质
             *  （三）碰撞性
             *  （四）相关术语
             *  （五）单向散列函数的应用
             *  （六）单向散列函数的具体例子
             *  （七）单向散列函数无法解决的问题

#### （一）介绍 ####

单向散列函数，就是一种采集文件指纹的技术。单向散列函数所生成的散列值,就相当于消息的指纹。  
单向散列函数( one-way hash function)有一个输人和一个输出，其中输人称为消息( message ),输出称为散列值( hash value )。单向散列函数可以根据消息的内容计算出散列值，而散列值就可以被用来检查消息的完整性。

这里的消息不一定是人类能够读懂的文字，也可以是图像文件或者声音文件。单向散列函数不需要知道消息实际代表的含义。无论任何消息，单向散列函数都会将它作为单纯的比特序列来处理，即根据比特序列计算出散列值。

散列值的长度和消息的长度无关。无论消息是1比特，还是100MB，甚至是100GB，单向散列函数都会计算出固定长度的散列值。以SHA-1单向散列函数为例，它所计算出的散列值的长度永远是160比特(20字节).

由于散列值很短，因此很容易处理和使用  
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#### （二）单向散列函数的性质 ####

1、根据任意长度的消息计算出固定长度的散列值  
2、能够快速技术出散列值  
3、消息不同散列值也不同

#### （三）碰撞性 ####

两个不同的消息产生同一个散列值的情况称为碰撞( collision )。如果要将单向散列函数用于完整性的检查，则需要确保在事实上不可能被人为地发现碰撞。

难以发现碰撞的性质称为抗碰撞性( collision resistance )。密码技术中所使用的单向散列函数，都需要具备抗碰撞性。

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这里所说的抗碰撞性，指的是难以找到另外一条具备特定散列值的消息。当给定某条消息的散列值时，单向散列函数必须确保要找到和该条消息具有相同散列值的另外一条消息是非常困难的。这一性质称为弱抗碰撞性。单向散列函数都必须具备弱抗碰撞性。

和弱抗碰撞性相对的，还有强抗碰撞性。所谓强抗碰撞性，是指要找到散列值相同的两条不同的消息是非常困难的这一性质。在这里，散列值可以是任意值。

密码技术中所使用的单向散列函数，不仅要具备弱抗碰撞性，还必须具备强抗碰撞性

#### （四）相关术语 ####

单向散列函数也称为消息摘要函数( message digest function)、哈希函数或者杂凑函数。输入单向散列函数的消息也称为原像( pre-image )。

单向散列函数输出的散列值也称为消息摘要( message digest)或者指纹( fingerprint )。完整性也称为一致性。

#### （五）单向散列函数的应用 ####

1、检测软件是否被篡改，通过散列值，用户可以确认自己所下载到的文件与软件作者所提供的文件是否一致.

2、单向散列函数也被用于基于口令的加密(Password Based Encryption，PBE)。  
PBE 的原理是将口令和盐( salt，通过伪随机数生成器产生的随机值)混合后计算其散列值，然后将这个散列值用作加密的密钥。通过这样的方法能够防御针对口令的字典攻击

3、使用单向散列函数可以构造消息认证码。  
消息认证码是将“发送者和接收者之间的共享密钥”和“消息”进行混合后计算出的散列值。使用消息认证码可以检测并防止通信过程中的错误、篡改以及伪装。

4、在进行数字签名时也会使用单向散列函数。  
数字签名是现实社会中的签名( sign )和盖章这样的行为在数字世界中的实现。数字签名的处理过程非常耗时，因此一般不会对整个消息内容直接施加数字签名，而是先通过单向散列函数计算出消息的散列值，然后再对这个散列值施加数字签名。

5、伪随机数生成器  
使用单向散列函数可以构造伪随机数生成器。  
密码技术中所使用的随机数需要具备“事实上不可能根据过去的随机数列预测未来的随机数列”这样的性质。为了保证不可预测性，可以利用单向散列函数的单向性。

6、使用单向散列函数可以构造一次性口令( one-time password )。一次性口令经常被用于服务器对客户端的合法性认证。在这种方式中，通过使用单向散列函数可以保证口令只在通信链路上传送一次( one-time )，因此即使窃听者窃取了口令，也无法使用。

#### （六）单向散列函数的具体例子 ####

MD4、MD5  
SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512  
RIPEMD-160  
AHS ( Advanced Hash Standard )与SHA-3

#### （七）单向散列函数无法解决的问题 ####

使用单向散列函数可以实现完整性的检查，但有些情况下即便能够检查完整性也是没有意义的。例如，假设主动攻击者Mallory伪装成Alice，向Bob同时发送了消息和散列值。这时 Bob能够通过单向散列函数检查消息的完整性，但是这只是对Mallory 发送的消息进行检查，而无法检查出发送者的身份是否被 Mallory进行了伪装。也就是说，单向散列函数能够辨别出“篡改”，但无法辨别出“伪装”。当我们不仅需要确认文件的完整性，同时还需要确认这个文件是否真的属于Alice时，仅靠完整性检查是不够的，我们还需要进行认证。  
用于认证的技术包括消息验证码和数字签名。消息认证码能够向通信对象保证消息没有被篡改，而数字签名不仅能够向通信对象保证消息没有被篡改，还能够向所有第三方做出这样的保证。认证需要使用密钥，也就是通过对消息附加Alice的密钥只有Alice才知道的秘密信息来确保消息真的属于Alice。

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