Hash 算法与摘要

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2023-12-01

Hash 算法

定义

Hash （哈希或散列）算法是信息技术领域非常基础也非常重要的技术。它能任意长度的二进制值（明文）映射为较短的固定长度的二进制值（Hash 值），并且不同的明文很难映射为相同的 Hash 值。

例如计算一段话“hello blockchain world, this is yeasy@github”的 MD5 hash 值为 89242549883a2ef85dc81b90fb606046。

$ echo "hello blockchain world, this is yeasy@github"|md5
89242549883a2ef85dc81b90fb606046

这意味着我们只要对某文件进行 MD5 Hash 计算，得到结果为 89242549883a2ef85dc81b90fb606046，这就说明文件内容极大概率上就是 “hello blockchain world, this is yeasy@github”。可见，Hash 的核心思想十分类似于基于内容的编址或命名。

注：hash 值在应用中又被称为指纹（fingerprint）、摘要（digest）。

注：MD5 是一个经典的 hash 算法，其和 SHA-1 算法都已被证明安全性不足应用于商业场景。

一个优秀的 hash 算法，将能实现：

正向快速：给定明文和 hash 算法，在有限时间和有限资源内能计算出 hash 值。
逆向困难：给定（若干） hash 值，在有限时间内很难（基本不可能）逆推出明文。
输入敏感：原始输入信息修改一点信息，产生的 hash 值看起来应该都有很大不同。
冲突避免：很难找到两段内容不同的明文，使得它们的 hash 值一致（发生冲突）。

冲突避免有时候又被称为“抗碰撞性”。如果给定一个明文前提下，无法找到碰撞的另一个明文，称为“弱抗碰撞性”；如果无法找到任意两个明文，发生碰撞，则称算法具有“强抗碰撞性”。

很多场景下，也要求对于任意长的输入内容，输出定长的 hash 结果。

流行的算法

目前流行的 Hash 算法包括 MD5、SHA-1 和 SHA-2。

MD4（RFC 1320）是 MIT 的 Ronald L. Rivest 在 1990 年设计的，MD 是 Message Digest 的缩写。其输出为 128 位。MD4 已证明不够安全。

MD5（RFC 1321）是 Rivest 于1991年对 MD4 的改进版本。它对输入仍以 512 位分组，其输出是 128 位。MD5 比 MD4 复杂，并且计算速度要慢一点，更安全一些。MD5 已被证明不具备“强抗碰撞性”。

SHA （Secure Hash Algorithm）是一个 Hash 函数族，由 NIST（National Institute of Standards and Technology）于 1993 年发布第一个算法。目前知名的 SHA-1 在 1995 年面世，它的输出为长度 160 位的 hash 值，因此抗穷举性更好。SHA-1 设计时基于和 MD4 相同原理，并且模仿了该算法。SHA-1 已被证明不具备“强抗碰撞性”。

为了提高安全性，NIST 还设计出了 SHA-224、SHA-256、SHA-384，和 SHA-512 算法（统称为 SHA-2），跟 SHA-1 算法原理类似。SHA-3 相关算法也已被提出。

目前，一般认为 MD5 和 SHA1 已经不够安全，推荐至少使用 SHA2-256 算法。

性能

一般的，Hash 算法都是算力敏感型，意味着计算资源是瓶颈，主频越高的 CPU 进行 Hash 的速度也越快。

也有一些 Hash 算法不是算力敏感的，例如 scrypt，需要大量的内存资源，节点不能通过简单的增加更多 CPU 来获得 hash 性能的提升。

数字摘要

顾名思义，数字摘要是对数字内容进行 Hash 运算，获取唯一的摘要值来指代原始数字内容。

数字摘要是解决确保内容没被篡改过的问题（利用 Hash 函数的抗碰撞性特点）。

数字摘要是 Hash 算法最重要的一个用途。在网络上下载软件或文件时，往往同时会提供一个数字摘要值，用户下载下来原始文件可以自行进行计算，并同提供的摘要值进行比对，以确保内容没有被修改过。