任何方式的网络服务都存在安全危险，怎么将危险降到最低是互联网普遍重视的问题。一般，网络安全措施的实现办法有数据加密、数字签名、身份认证、防火墙和侵略检测等。其中数据加密是防止未经授权的用户拜访敏感信息的手段，而研究数据加密的科学咱们称之为暗码学（Cryptography）。

暗码学有着悠长而光辉的历史，古代的军事家现已用暗码传递军事情报了，而现代核算机的运用和核算机科学的发展又为这一陈旧的科学注入了新的生机。现代暗码学是经典暗码学的进一步发展和完善。由于加密和解密此消彼长的斗争永远不会中止，这门科学还在迅速发展之中。

鉴于目前全球网络处理的数据量大幅增加，核算机科学家一直在寻找加速数据拜访并确保数据安全交流的办法。当前常用的一种安全加密技能哈希（Hash）函数，也称散列函数。今日咱们来详细聊聊散列函数。

什么是散列函数

散列函数，首要咱们先来看下散列。散列的释义是切碎或打乱某些东西，也是关于散列函数的一种描绘。没错，将数据 “打乱”，转换成其他数值。而且不管数据输入多长，输出值总是相同的长度。

散列函数将恣意长度的字符串转换为固定长度的字符串，这个固定长度的字符串称为散列值。散列值是一段数据仅有的、紧凑的表明方式。假如对一段明文只更改其中的一个字母，随后的散列改换都将发生不同的散列值。由于找到散列值相同的两个不同的输入在核算上是不可能的，所以数据的散列值能够查验数据的完整性。

有趣的密码学之散列函数，你了解多少
在上面的散列函数示例中，一切不同的暗码在存储到数据库之前都被转换为固定长度的字符串。这些输出字符串无法转换到原来的实践暗码。

散列值是散列函数和算法核算出来的成果。散列值是仅有的，就像人的指纹一样。假如选用小写字母 “a” 到 “f” 和数字 “0” 到 “9” 并界说一个长度为 64 个字符的散列值，则有 1.1579209e+77 个可能的输出值，即 70 后边跟 24 个零！这表明即便运用较短的字符串，仍然能够生成一个长度能够承受的指纹。

运用 SHA256 函数生成的散列值始终具有相同的长度，不管输入字符串中字符的数量和类型怎么。

SHA256-Hash for：apple
3a7bd3e2360a3d29eea436fcfb7e44c735d117c42d1c1835420b6b9942dd4f1b
SHA256-Hash for：pear
97cfbe87531abe0c6bac7b21d616cb422faaa158a9f2ae7e8685c79eb85fc65e
SHA256-Hash for：plum
0467255695084cc12ffe0c55105907f74a9c189314b9fe87b878eb6fee787b99
SHA256-Hash for：strawberry
5e737f891db1175442a39fde73e51d781a545506d71c95477a6deb5988bd7f9a

上面示例中的散列值只需几行 PHP 代码即可生成：

<?php
echo hash('sha256', 'apple');
?>

散列函数能够用于核算机科学的许多范畴。例如：

  • 服务器和浏览器之间的通讯加密，并为互联网运用程序和数据缓存生成会话 ID
  • 维护敏感数据，例如暗码、付款订单等
  • 向电子邮件中增加数字签名
  • 经过查找功能定位相同或相似的数据集

散列函数的规划特点

哈希的核心是一个数学函数，它对两个固定巨细的数据块进行运算以创立哈希代码。该散列函数构成散列算法的一部分。每个数据块的巨细因算法而异。一般，块巨细从 128 位到 512 位。下图演示了哈希函数：

有趣的密码学之散列函数，你了解多少
散列算法触及上述散列函数的轮次，如分组暗码。每轮选用固定巨细的输入，一般是最新音讯块和上一轮输出的组合。重复此过程所需的轮数以散列整个音讯。哈希算法的示意图如下图所示：

有趣的密码学之散列函数，你了解多少

由于，第一个音讯块的哈希值成为第二个哈希操作的输入，其输出改动第三个操作的成果，依此类推。这种效应称为散列的雪崩效应。雪崩效应导致两条音讯的散列值截然不同，即便只有一位数据不同，成果也彻底不同。

正确理解哈希函数和算法的差异：

  • 哈希函数经过对两块固定长度的二进制数据进行运算生成哈希码。
  • 散列算法是运用散列函数的过程，指定音讯将怎么分解以及怎么将从前音讯块的成果链接在一起。

散列函数的规划具有以下特点：

单向性

一旦生成散列值，就不可能将其转换回原始数据。例如，在上面的示例中，一定无法将“PPHv8rpLanTSYSA/2bP1xN.S6Mdk32.Z3” 转换回 “susi_562#alone”。

无磕碰/无抵触

对于无抵触的散列函数，没有两个字符串能够映射到相同的输出散列值。换句话说，每个输入字符串都有必要生成仅有的输出字符串。这种类型的散列函数也称为暗码散列函数。在上面的哈希函数示例中，没有相同的哈希值发生，即输出字符串之间没有 “抵触” 。

速度快如闪电

假如散列函数核算散列值的时刻太长，则也没有多大用途。因而，散列函数有必要非常快。在数据库中，散列值存储在散列表中以确保快速拜访。

盛行的散列函数

接下来，咱们来简单看看有哪些盛行的散列函数。

音讯摘要（MD）

多年来，MD5 一直是最受欢迎和广泛运用的哈希函数。

  • MD 系列包含散列函数 MD2、MD4、MD5 和 MD6。它被采纳为 Internet 规范 RFC 1321。它是一个 128 位的散列函数。
  • MD5 摘要已广泛用于软件范畴，以确保传输文件的完整性。例如，文件服务器一般会为文件供给预先核算的 MD5 校验和，以便用户能够将下载文件的校验和与其进行比较。
  • 2004 年，MD5 发现了抵触。据报道，运用核算机集群的分析进犯仅在一个小时内就成功了。这种磕碰进犯导致 MD5 受损，因而不再引荐运用。

安全散列函数（SHA)

HA 系列包含四种 SHA 算法；SHA-0、SHA-1、SHA-2 和 SHA-3。尽管来自同一个家庭，但结构不同。

  • 开始的版别是 SHA-0，一个 160 位的散列函数，由美国国家规范技能研究院（NIST）于 1993 年发布。在当时它并没有很盛行。1995 年，SHA-1 出现了，用来纠正一些 SHA-0 的缺陷。
  • SHA-1 是现有 SHA 散列函数中运用最广泛的。它用于多种广泛运用的运用程序和协议，包含安全套接字层（SSL）的安全性。
  • 2005 年，发现了一种在实践时刻范围内找到 SHA-1 抵触的办法，这使得 SHA-1 的才能遭到质疑。
  • SHA-2 系列还有四种 SHA 变体，SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512，具体取决于其哈希值中的位数。
  • SHA-2 是一个强大的哈希函数。尽管有很大的不同，但它的基本规划仍然遵循 SHA-1 的规划。因而，NIST 呼吁新的竞争性哈希函数的规划。
  • 2012 年 10 月，NIST 挑选 Keccak 算法作为新的 SHA-3 规范。Keccak 供给了许多长处，例如高效的性能和良好的进犯抵抗力。

RIPEMD

RIPEMD 是 RACE Integrity Primitives Evaluation Message Digest 的缩写。这种散列函数由敞开研究社区规划，一般被称为欧洲散列函数族。

  • 该家族包含 RIPEMD、RIPEMD-128 和 RIPEMD-160。该算法还存在 256 位和 320 位版别。
  • 原始 RIPEMD（128 位）根据 MD4 中运用的规划原则，被发现其供给的安全性有缺陷。RIPEMD 128 位版别作为快速修正替代品出现，以修正原始 RIPEMD 上的漏洞。
  • RIPEMD-160 是改善版别，也是该系列中运用最广泛的版别。256 位和 320 位版别减少了意外磕碰的可能性，但与 RIPEMD-128 和 RIPEMD-160 比较安全性并没有更高。

Whirlpool

这是一个 512 位哈希函数。

  • 它源自高级加密规范（AES）的修正版别。其中一位规划师是 AES 的共同创立者Vincent Rijmen。

  • Whirlpool 现已发布三个版别：即 WHIRLPOOL-0、WHIRLPOOL-T 和 WHIRLPOOL。

散列函数的运用

根据其暗码学特性，散列函数有如下运用场景：

暗码存储

散列函数为暗码存储供给维护。

  • 大多数登录过程都没有将暗码以明文方式存储，而是将暗码的散列值存储在文件中。
  • 暗码文件由方式为 (user id, h(P)) 的对表组成。
  • 登录过程如下图所示：

有趣的密码学之散列函数，你了解多少

  • 侵略者只能看到暗码的散列值，即便他得到了暗码。既不能直接运用散列值登录，也不能从散列值中推导出暗码，由于散列函数具有单向性。

数据完整性查看

数据完整性查看是散列函数最常见的运用。它用于生成数据文件的校验和。运用程序能够向用户确保数据的准确性。该过程如下图所示：

有趣的密码学之散列函数，你了解多少

完整性查看可帮助用户检测原始文件所做的任何更改。但是，它不对原创性供给任何确保。进犯者无需修正文件数据，而是能够更改整个文件并一起核算新的哈希值，将其发送给接收方。此完整性查看运用程序仅在用户确定文件的原创性时才有用。

哈希函数和网站

运用 SSL 加密的数据传输，当 Web 服务器收到请求时，它会将服务器证书发送到用户的浏览器。然后运用散列函数生成会话 ID，并将其发送到服务器进行解密和验证。假如服务器同意会话 ID，则树立加密的 HTTPS 衔接并能够交流数据。一切交流的数据包也都是加密的。

有趣的密码学之散列函数，你了解多少
哈希值还用于加密缓存数据，以防止未经授权的用户运用缓存拜访登录和付款等敏感数据。运用 SFTP 协议的 FTP 服务器和客户端之间的通讯也以类似的方式工作。

数字签名

电子邮件经过专门规划用于传输此类音讯的服务器发送。运用散列函数生成的密钥也用于向音讯增加数字签名。

有趣的密码学之散列函数，你了解多少
在电子邮件中增加数字签名就像在手写的函件上签名——签名一次，这个签名便是绝无仅有的。

发送带有数字签名的电子邮件的步骤是：

  • 小美（发件人）将她的音讯转换为哈希值并运用她的私钥加密哈希值。这个加密的哈希值便是数字签名。
  • 小美将电子邮件和数字签名发送给收件人小帅。
  • 小帅运用相同的散列函数生成音讯的散列值。他还运用小美的公钥解密散列值并比较两个散列值。
  • 假如这两个哈希值匹配，小帅就知道小美的音讯在传输过程中没有被篡改。

注意，数字签名证明了音讯的完整性，但实践上并没有对其进行加密。假如要发送秘要数据，那么最好对其进行加密并运用数字签名。

散列函数用于进步互联网通讯的安全性，现在现已开发了许多高度杂乱的规范。但是，黑客们也认识到了这一点，并不断想出更高级的黑客技能来破解它。技能不断变革，将来还会有什么样的高级加密算法出现呢？未来，让咱们拭目而待！