1.7.1 Hash算法

Hash算法是密码学中非常重要的算法之一，是数字签名和加密通信等技术的必要前提。作为一种单向运算算法，它可以将任意长度的输入信息通过Hash运算得出一个固定长度的输出，这种转换是一种压缩映射，其输出被称为Hash值或消息摘要，如图1-8所示。在进行完整性校验的时候，Hash值也叫Checksum（校验值）或者Fingerprint（指纹）。Hash算法不属于加密算法，这主要是因为，经加密算法运算后输出数据的长度与输入数据的长度是直接相关的，并且加密算法运算的输出是要能够逆向算出原始明文的。

图1-8 32位MD5 Hash值示例

Hash算法主要有以下特点：

● 单向性：给定Hash值，无法通过运算得出输入信息。这是Hash算法的基本特征，也是保证信息安全的基础。

● 定长输出：无论输入信息的长度如何，Hash运算的输出长度是固定的。这有利于信息的存储和管理。

● 撞击难度大：两条不同的输入信息生成的Hash值相同的概率非常小。这保证了Hash值可以作为信息的数字指纹。

● 快速计算：Hash算法可以在较短时间内计算出输入信息的Hash值。这使其适用于大量数据的运算。

常用的Hash算法有MD5、SM3、SHA-1、SHA-2、SHA-3等。较新版本的Hash算法生成的Hash值更长，运算难度更大，安全性也更高。

Hash算法在信息安全领域有着广泛的应用，主要包括：

1）信息完整性验证：通过Hash运算生成信息的特征码，并与信息绑定后进行验证，可以检测信息在传输或存储过程中是否被修改，如图1-9所示。

图1-9 信息完整性验证示意

2）数字签名：发送方对信息进行Hash运算后使用私钥加密Hash值生成数字签名，接收方使用公钥解密签名并核对Hash值，以验证发送方身份。

3）密码存储：不存储明文密码，而是存储密码的Hash值，在验证时比较输入密码的Hash值与存储的Hash值。这对密码进行了一定程度的保护。但是由于Hash值定长，攻击者能够开发出彩虹表这样的工具。我们可以将彩虹表理解成一张预计算的大表，其中存储着一些常见密码的Hash值，攻击者在通过入侵获取某些网站的数据库之后，就可以通过预计算表中的Hash值来反查原始登录密码。

4）防止重复提交：通过存储信息的Hash值来标识信息，在接收到信息时计算Hash值进行对比，以识别重复的信息。

5）BitTorrent：BitTorrent协议使用Hash值来标识不同的文件块，用于P2P网络中文件分块的识别。

总之，Hash算法通过单向Hash运算可以生成信息的数字指纹，这使其在信息安全领域得到广泛应用。但是，Hash算法的安全性依赖于运算难度和Hash值长度，因此需要根据实际应用场景选择较为安全的Hash算法版本和参数配置。此外，对Hash值的破解也在不断进步，这也是Hash应用面临的主要风险之一。