【IoT】加密与安全：哈希 Hash 算法用途与原理解析
1、Hash 算法分类
MD5 和 SHA-1 是目前应用最广泛的 Hash 算法且是以 MD4 算法为基础设计的。
1) MD4
MD4(RFC 1320) 是 MIT 的 Ronald L. Rivest 在 1990 年设计的，MD 是 Message Digest 的缩写。
它适用在 32 位字长的处理器上用快速软件实现，是基于 32 位操作数的位操作来实现的。
2) MD5 - message-digest algorithm 5（信息-摘要算法）
MD5(RFC 1321) 是 Rivest 于 1991 年对 MD4 的改进版本号。
它对输入仍以 512 位分组，其输出是 4 个 32 位字的级联，与 MD4 一样。
MD5 比 MD4 得复杂，而且速度较之要慢一点，但更安全，在抗分析和抗差分方面表现更好。
被广泛用于加密和解密技术上，它可以说是文件的“数字指纹”。
任何一个文件，无论是可执行程序、图像文件、临时文件或者其他任何类型的文件，也不管它体积多大，都有且只有一个独一无二的 MD5 信息值，并且如果这个文件被修改过，它的 MD5 值也将随之改变。
因此，我们可以通过对比同一文件的 MD5 值，来校验这个文件是否被“篡改”过。
3) SHA-1
SHA1 是由 NIST NSA 设计为同 DSA 一起使用的，它对长度小于 264 的输入，产生长度为 160bit 的散列值，因此抗穷举(brute-force)性更好。
SHA-1 的设计也是基于 MD4 算法。
2、Hash 算法用途
Hash 算法在信息安全方面的应用主要分为三个方面：
1) 文件校验
通常使用的校验算法有奇偶校验和 CRC 校验，这 2 种校验并没有抗数据篡改的能力，它们一定程度上能检测并纠正传输数据中的信道误码，但却不能防止对数据的恶意破坏。
MD5 Hash 算法的"数字指纹"特性，使它成为眼下应用最广泛的一种文件完整性校验和(Checksum)算法，不少 Unix 系统有提供计算 md5 checksum 的命令。
2) 数字签名
Hash 算法也是现代 password 体系中的一个重要组成部分。
因为非对称算法的运算速度较慢，所以在数字签名协议中，单向散列函数扮演了一个重要的角色，对 Hash 值，又称"数字摘要"进行数字签名。
3) 鉴权协议
例如以下的鉴权协议又被称作挑战 -- 认证模式：
在传输信道是可被侦听，但不可被篡改的情况下，这是一种简单而安全的方法。
4）文件 Hash 值
MD5-Hash 文件的数字文摘通过 Hash 函数计算得到。
无论文件长度怎样，它的 Hash 函数计算结果是一个固定长度的数字。
与加密算法不同，Hash 算法是一个不可逆的单向函数。
以 Hash MD5 为例：
MD5 以 512 位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为 16 个 32 位子分组，经过了一系列的处理后，算法的输出由四个 32 位分组组成，将这四个 32 位分组级联后将生成一个 128 位散列值，就是说任意长度的二进制数据经过 md5 加密算法的计算，将会得到一个 128 位的二进制数一般转为 32 位 16 进制数来表示。
原文不相同算出的 MD5 一定不相同，原文相同算出 MD5 一定相同。
只能从原文算成密文，密文永远也算不回原文。
算法具有以下特点：
1) 压缩性：任意长度的数据，算出的 MD5 值长度都是固定的；
2) 容易计算：从原数据计算出 MD5 值很容易；
3) 抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改 1 个字节，所得到的 MD5 值都有很大区别；
4) 弱抗碰撞：已知原数据和其 MD5 值，想找到一个具有相同 MD5 值的数据（即伪造数据）是非常困难的；
5) 强抗碰撞：想找到两个不同的数据，使它们具有相同的 MD5 值，是非常困难的。
3、Hash 算法 MD5 原理
3.1、填充数据
在 MD5 算法中，首先需要对信息进行填充，使其位长对 512 求余的结果等于 448，并且填充必须进行，即使其位长对 512 求余的结果等于 448。
因此，信息的位长（Bits Length）将被扩展至 N*512 + 448，N 为一个非负整数，N 可以是零。
填充的方法如下：
1) 在信息的后面填充一个 1 和无数个 0，直到满足上面的条件时才停止用 0 对信息的填充；
2) 在这个结果后面附加一个以 64 位二进制表示的填充前信息长度（单位为 Bit），如果二进制表示的填充前信息长度超过 64 位，则取低 64 位；
3）经过以上两步的处理，信息的位长 = N*512+448+64=(N+1）*512，即长度恰好是 512 的整数倍，这样做的原因是为满足后面处理中对信息长度的要求。
3.2、初始化变量
初始的 128 位值为初试链接变量，这些参数用于第一轮的运算，以大端字节序来表示，他们分别为：
A=0x01234567，B=0x89ABCDEF，C=0xFEDCBA98，D=0x76543210
每一个变量给出的数值是高字节存于内存低地址，低字节存于内存高地址，即大端字节序。
在程序中变量 A、B、C、D 的值分别为 0x67452301，0xEFCDAB89，0x98BADCFE，0x10325476。
3.3、处理分组数据
每一分组的算法流程如下：
第一分组需要将上面四个链接变量复制到另外四个变量中：
A 到 a，B 到 b，C 到 c，D 到 d。
从第二分组开始的变量为上一分组的运算结果，即 A = a， B = b， C = c， D = d。
主循环有四轮（MD4 只有三轮），每轮循环都很相似。
第一轮进行 16 次操作，每次操作对 a、b、c 和 d 中的其中三个作一次非线性函数运算，然后将所得结果加上第四个变量，文本的一个子分组和一个常数。
再将所得结果向左环移一个不定的数，并加上 a、b、c 或 d 中之一，最后用该结果取代 a、b、c 或 d 中之一。
以下是每次操作中用到的四个非线性函数（每轮一个）：
F( X ,Y ,Z ) = ( X & Y ) | ( (~X) & Z )
G( X ,Y ,Z ) = ( X & Z ) | ( Y & (~Z) )
H( X ,Y ,Z ) = X ^ Y ^ Z
I( X ,Y ,Z ) = Y ^ ( X | (~Z) )
& = And，| = Or，~ = Not，^ = Xor
这四个函数的说明：
如果 X、Y 和 Z 的对应位是独立和均匀的，那么结果的每一位也应是独立和均匀的。
F 是一个逐位运算的函数，即，如果 X，那么 Y，否则 Z。
函数 H 是逐位奇偶操作符。
假设 Mj 表示消息的第 j 个子分组（从 0 到 15），常数 ti 是 4294967296*abs( sin(i) ）的整数部分，i 取值从1到64，单位是弧度。
（4294967296=232）现定义：
FF(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti ) 操作为 a = b + ( (a + F(b,c,d) + Mj + ti) << s)
GG(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti ) 操作为 a = b + ( (a + G(b,c,d) + Mj + ti) << s)
HH(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + H(b,c,d) + Mj + ti) << s)
II(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + I(b,c,d) + Mj + ti) << s)注意：“<<”表示循环左移位，不是左移位。
这四轮（共64步）：
第一轮
FF(a ,b ,c ,d ,M0 ,7 ,0xd76aa478 )
FF(d ,a ,b ,c ,M1 ,12 ,0xe8c7b756 )
FF(c ,d ,a ,b ,M2 ,17 ,0x242070db )
FF(b ,c ,d ,a ,M3 ,22 ,0xc1bdceee )
FF(a ,b ,c ,d ,M4 ,7 ,0xf57c0faf )
FF(d ,a ,b ,c ,M5 ,12 ,0x4787c62a )
FF(c ,d ,a ,b ,M6 ,17 ,0xa8304613 )
FF(b ,c ,d ,a ,M7 ,22 ,0xfd469501)
FF(a ,b ,c ,d ,M8 ,7 ,0x698098d8 )
FF(d ,a ,b ,c ,M9 ,12 ,0x8b44f7af )
FF(c ,d ,a ,b ,M10 ,17 ,0xffff5bb1 )
FF(b ,c ,d ,a ,M11 ,22 ,0x895cd7be )
FF(a ,b ,c ,d ,M12 ,7 ,0x6b901122 )
FF(d ,a ,b ,c ,M13 ,12 ,0xfd987193 )
FF(c ,d ,a ,b ,M14 ,17 ,0xa679438e )
FF(b ,c ,d ,a ,M15 ,22 ,0x49b40821 )
第二轮
GG(a ,b ,c ,d ,M1 ,5 ,0xf61e2562 )
GG(d ,a ,b ,c ,M6 ,9 ,0xc040b340 )
GG(c ,d ,a ,b ,M11 ,14 ,0x265e5a51 )
GG(b ,c ,d ,a ,M0 ,20 ,0xe9b6c7aa )
GG(a ,b ,c ,d ,M5 ,5 ,0xd62f105d )
GG(d ,a ,b ,c ,M10 ,9 ,0x02441453 )
GG(c ,d ,a ,b ,M15 ,14 ,0xd8a1e681 )
GG(b ,c ,d ,a ,M4 ,20 ,0xe7d3fbc8 )
GG(a ,b ,c ,d ,M9 ,5 ,0x21e1cde6 )
GG(d ,a ,b ,c ,M14 ,9 ,0xc33707d6 )
GG(c ,d ,a ,b ,M3 ,14 ,0xf4d50d87 )
GG(b ,c ,d ,a ,M8 ,20 ,0x455a14ed )
GG(a ,b ,c ,d ,M13 ,5 ,0xa9e3e905 )
GG(d ,a ,b ,c ,M2 ,9 ,0xfcefa3f8 )
GG(c ,d ,a ,b ,M7 ,14 ,0x676f02d9 )
GG(b ,c ,d ,a ,M12 ,20 ,0x8d2a4c8a )
第三轮
HH(a ,b ,c ,d ,M5 ,4 ,0xfffa3942 )
HH(d ,a ,b ,c ,M8 ,11 ,0x8771f681 )
HH(c ,d ,a ,b ,M11 ,16 ,0x6d9d6122 )
HH(b ,c ,d ,a ,M14 ,23 ,0xfde5380c )
HH(a ,b ,c ,d ,M1 ,4 ,0xa4beea44 )
HH(d ,a ,b ,c ,M4 ,11 ,0x4bdecfa9 )
HH(c ,d ,a ,b ,M7 ,16 ,0xf6bb4b60 )
HH(b ,c ,d ,a ,M10 ,23 ,0xbebfbc70 )
HH(a ,b ,c ,d ,M13 ,4 ,0x289b7ec6 )
HH(d ,a ,b ,c ,M0 ,11 ,0xeaa127fa )
HH(c ,d ,a ,b ,M3 ,16 ,0xd4ef3085 )
HH(b ,c ,d ,a ,M6 ,23 ,0x04881d05 )
HH(a ,b ,c ,d ,M9 ,4 ,0xd9d4d039 )
HH(d ,a ,b ,c ,M12 ,11 ,0xe6db99e5 )
HH(c ,d ,a ,b ,M15 ,16 ,0x1fa27cf8 )
HH(b ,c ,d ,a ,M2 ,23 ,0xc4ac5665 )
第四轮
II(a ,b ,c ,d ,M0 ,6 ,0xf4292244 )
II(d ,a ,b ,c ,M7 ,10 ,0x432aff97 )
II(c ,d ,a ,b ,M14 ,15 ,0xab9423a7 )
II(b ,c ,d ,a ,M5 ,21 ,0xfc93a039 )
II(a ,b ,c ,d ,M12 ,6 ,0x655b59c3 )
II(d ,a ,b ,c ,M3 ,10 ,0x8f0ccc92 )
II(c ,d ,a ,b ,M10 ,15 ,0xffeff47d )
II(b ,c ,d ,a ,M1 ,21 ,0x85845dd1 )
II(a ,b ,c ,d ,M8 ,6 ,0x6fa87e4f )
II(d ,a ,b ,c ,M15 ,10 ,0xfe2ce6e0 )
II(c ,d ,a ,b ,M6 ,15 ,0xa3014314 )
II(b ,c ,d ,a ,M13 ,21 ,0x4e0811a1 )
II(a ,b ,c ,d ,M4 ,6 ,0xf7537e82 )
II(d ,a ,b ,c ,M11 ,10 ,0xbd3af235 )
II(c ,d ,a ,b ,M2 ,15 ,0x2ad7d2bb )
II(b ,c ,d ,a ,M9 ,21 ,0xeb86d391 )所有这些完成之后，将 a、b、c、d 分别在原来基础上再加上 A、B、C、D。
即 a = a + A，b = b + B，c = c + C，d = d + D
然后用下一分组数据继续运行以上算法。
3.4、算法输出
最后的输出是 a、b、c 和 d 的级联。
按照上面所说的方法实现 MD5 算法以后，可以用以下几个信息对你做出来的程序作一个简单的测试：
MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz") =
f29939a25efabaef3b87e2cbfe641315
MD5 ("8a683566bcc7801226b3d8b0cf35fd97") =cf2cb5c89c5e5eeebef4a76becddfcfd3.5、MD5 加密字符串实例
现以字符串“jklmn”为例。
该字符串在内存中表示为：6A 6B 6C 6D 6E（从左到右为低地址到高地址），信息长度为 40 bits， 即 0x28。
对其填充，填充至 448 位，即 56 字节，结果为：
6A 6B 6C 6D 6E 80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00剩下 64 位，即 8 字节填充填充前信息位长，按小端字节序填充剩下的 8 字节，结果为：
6A 6B 6C 6D 6E 80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 28 00 00 00 00 00 00 00初始化 A、B、C、D 四个变量。
将这 64 字节填充后数据分成 16个小组（程序中对应为16个数组），即：
M0：6A 6B 6C 6D （这是内存中的顺序，按照小端字节序原则，对应数组M(0)的值为0x6D6C6B6A）
M1：6E 80 00 00
M2：00 00 00 00
.....
M14：28 00 00 00
M15：00 00 00 00经过“3. 分组数据处理”后，a、b、c、d 值分别为 0xD8523F60、0x837E0144、0x517726CA、0x1BB6E5FE
在内存中为 a：60 3F 52 D8
b：44 01 7E 83
c：CA 26 77 51
d：FE E5 B6 1Ba、b、c、d 按内存顺序输出即为最终结果：603F52D844017E83CA267751FEE5B61B。这就是字符串 “jklmn” 的MD5值。
大多数公司数据库的密码都是这么保存的，在一定程度上保证了用户信息的安全，但这种密码是找不回来的，一旦忘记就需要重置密码。
refer：
https://blog.csdn.net/sinat_32176313/article/details/49401615
https://www.cnblogs.com/mengfanrong/p/4034950.html