哈希简介

_八岐邪神
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1. SHA-1

  • 概述：SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）是一个较早的加密哈希函数，它生成160位（20字节）的哈希值。

  • 优点：

    • 计算速度较快，适用于低性能设备。
    • 在一些旧的协议和系统中仍然得到广泛应用（例如数字签名、证书等）。

  • 缺点：

    • 存在碰撞漏洞（攻击者能够找到两个不同的输入产生相同的哈希值），因此被认为不再安全。
    • 近年来，SHA-1在密码学上逐渐被淘汰，特别是在TLS、SSL和加密证书中。

  • 为什么被淘汰：

    • SHA-1在理论和实践中被发现有较强的碰撞攻击（如Google和CWI研究人员在2017年演示的SHA-1碰撞攻击）。因此，现在已经不再推荐使用。

  • 应用场景：

    • 早期的数字签名和证书（虽然现在被逐步替换为SHA-256和SHA-3等更安全的哈希算法）。

2. SHA-256

  • 概述：SHA-256属于SHA-2（Secure Hash Algorithm 2）家族，生成256位（32字节）的哈希值，是最常用的哈希算法之一，广泛应用于区块链、数字签名和各种安全协议中。

  • 优点：

    • 高安全性：相较于SHA-1，它更抗碰撞且计算复杂度较高。
    • 已被广泛应用和审计，且不易被破解。

  • 缺点：

    • 计算上较为复杂，较慢，但在现代硬件上仍然是高效的。

  • 应用场景：

    • 比特币及其他区块链应用。
    • 数字签名、文件完整性校验等。

3. SHA-512

  • 概述：SHA-512也是SHA-2家族的一部分，生成512位（64字节）的哈希值。它与SHA-256非常相似，只不过它的输出长度和安全性更高。

  • 优点：

    • 更强的安全性（生成的哈希值较长），难以受到碰撞攻击。
    • 对于64位系统，SHA-512的性能可能优于SHA-256，尤其是使用较长输入时。

  • 缺点：

    • 输出的哈希值较长，占用更多存储空间。
    • 计算速度比SHA-256稍慢，尤其在32位系统上性能表现较差。

  • 应用场景：

    • 对数据完整性和安全性要求较高的场景。
    • 适用于需要更高安全性的场景（如数字签名、密码学应用）。

  • 为什么较少使用：

    • 虽然SHA-512安全性更高，但在大多数应用中，SHA-256已足够满足要求。SHA-256提供了合理的安全性与计算效率平衡，而SHA-512由于其较大的哈希值和相对较低的兼容性，使用较少。

4. MD5 (Message Digest Algorithm 5)

  • 概述：MD5生成128位（16字节）的哈希值，广泛用于早期的校验和验证。

  • 优点：

    • 计算速度极快，适用于低计算能力的设备。
    • 简单易用，历史上广泛应用于文件校验和数字签名。

  • 缺点：

    • 存在碰撞漏洞（例如，研究人员已经能够找到不同的输入生成相同的MD5哈希），因此已被视为不安全。
    • 不适用于要求高安全性的应用（如数字签名和加密证书等）。

  • 为什么不推荐：

    • MD5的安全性较差，已被很多标准和协议弃用。
    • 尽管其速度快，但由于可以被暴力破解或产生碰撞，已经不再适用于需要安全性的场合。

  • 应用场景：

    • 文件校验（如某些旧版的文件验证、校验和）。
    • 历史上在一些低安全性要求的场合中应用过。

5. BLAKE2

  • 概述：BLAKE2是一种较新的哈希算法，旨在提供比SHA-256更高的速度，同时仍保持较高的安全性。BLAKE2有两个版本：BLAKE2b（用于较长输出）和BLAKE2s（用于较短输出）。

  • 优点：

    • 计算速度非常快，设计上优化了硬件加速。
    • 提供了较高的安全性，同时避免了SHA-2的一些性能瓶颈。
    • 更短的输出（例如BLAKE2s）适合嵌入式和移动设备。

  • 缺点：

    • 虽然较新的哈希算法，但其采用程度较低，尚未被广泛采纳。

  • 应用场景：

    • 适用于对速度要求较高同时需要较高安全性的场景。
    • 一些现代加密库和协议（例如某些密码学应用和文件校验）。

6. Whirlpool

  • 概述：Whirlpool是一种基于Merkle-Damgård构造的哈希算法，生成512位（64字节）的哈希值。

  • 优点：

    • 安全性较高，生成较长的哈希值（512位）。
    • 设计较为复杂，防止了许多已知的哈希攻击。

  • 缺点：

    • 计算复杂度较高，速度较慢，适用范围较小。
    • 相较于SHA-256和SHA-512，其应用较为局限，支持度不如其他算法广泛。

  • 应用场景：

    • 针对要求极高安全性的场景，但因为较慢的计算速度而不常用。

7. RIPEMD-160

  • 概述：RIPEMD-160是一种哈希算法，生成160位（20字节）的哈希值，较少用于现代应用。

  • 优点：

    • 安全性较好，但没有SHA-256那样的广泛支持。
    • 输出长度适中，适合某些低资源环境。

  • 缺点：

    • 安全性相较于SHA-256较低，尽管它仍然被认为是抗碰撞的，但已不推荐用于高安全性应用。
    • 使用较少，兼容性差。

  • 应用场景：

    • 某些特定领域的哈希需求，但不适用于高安全性要求的应用。

总结：为什么没有SHA-512的普及

虽然SHA-512提供了更高的安全性，但SHA-256在大多数应用中已经提供了足够的安全性。SHA-512生成的哈希值较长（64字节），这在存储和传输上会占用更多资源。对于绝大多数场景，SHA-256足以应对碰撞和预映像攻击等问题，并且具有良好的计算效率，因此在实际应用中更为常见。

  • SHA-256 更加平衡，适用于大多数应用场景。
  • SHA-512 安全性更高，但在一些情况下，计算上稍显笨重，因此应用较少。

选择哈希算法时，通常会权衡安全性、性能以及具体应用的需求。如果应用场景对安全性有极高要求，且不在意计算的开销，SHA-512或更强的哈希算法（如BLAKE2、Whirlpool）可能更合适。如果需要兼容性和广泛的支持，SHA-256则是更常见的选择。

SHA-3 (Secure Hash Algorithm 3) 是 SHA 系列中的最新成员，与 SHA-2（包括 SHA-256 和 SHA-512）有所不同，具有独特的设计和算法结构。它于2015年由 美国国家标准与技术研究院（NIST） 发布，并被纳入为 FIPS PUB 202 标准。

SHA-3 是在 Keccak 算法基础上设计的，Keccak 之前曾赢得了 NIST 的哈希算法标准竞赛，成为了SHA-3的核心。

SHA-3的主要特征：

  • 构造方法：SHA-3 使用了 海绵构造（Sponge Construction） ，与SHA-2的Merkle-Damgård构造不同。海绵构造使得SHA-3具备了非常强的抗碰撞性和灵活性。
  • 可变输出长度：SHA-3不仅支持固定长度的哈希值，还允许输出任意长度的哈希值，这让它能够灵活地适应不同的应用场景。

SHA-3家族成员：

SHA-3算法族包括多个变种，分别有不同的输出长度：

  • SHA3-224：生成224位（28字节）的哈希值。
  • SHA3-256：生成256位（32字节）的哈希值，类似于SHA-256，但使用了不同的算法结构。
  • SHA3-384：生成384位（48字节）的哈希值。
  • SHA3-512：生成512位（64字节）的哈希值，类似于SHA-512，但使用了不同的算法结构。
  • SHAKE128：可调输出长度的哈希函数，使用128位的输出值，适用于需要较短输出的场景。
  • SHAKE256：可调输出长度的哈希函数，使用256位的输出值，适用于需要较长输出的场景。

SHA-3与SHA-2的区别：

特性SHA-2SHA-3
构造方法Merkle-Damgård构造海绵构造（Sponge Construction）
输出长度固定长度（如SHA-256为256位）固定长度或可变长度
安全性目前安全，但不如SHA-3强设计更强的抗碰撞能力，抗碰撞性更高
应用比特币、TLS等广泛应用用于未来高安全性需求的应用

SHA-3的优缺点：

优点：

  1. 强抗碰撞性：

    • SHA-3的海绵构造相较于SHA-2更为抗碰撞，能有效避免与SHA-2相似算法的弱点。

  2. 灵活的输出长度：

    • 通过SHAKE系列算法，SHA-3能够生成不同长度的哈希值，从而在很多特定场合（如密码学应用、哈希表等）具有更大的灵活性。

  3. 抗量子计算攻击：

    • 虽然目前尚未完全解决量子计算威胁，但SHA-3的设计比SHA-2更具抗量子计算的潜力，可能在未来的量子时代中表现更好。

  4. 不同的结构：

    • SHA-3采用海绵结构，而不是SHA-2的Merkle-Damgård结构，这使得它在理论上更加具有稳定性。

缺点：

  1. 计算效率较低：

    • 相较于SHA-2，SHA-3的计算速度较慢。它的性能在硬件实现上可能不如SHA-2高效，尤其是在早期的硬件上。

  2. 采用较少：

    • 由于SHA-3是一个较新的标准，当前在实际应用中还没有被广泛采纳。SHA-2依然在很多地方占据主导地位（例如在TLS、SSL、区块链等领域）。

  3. 较大的输出值：

    • 由于SHA-3生成的哈希值长度较长（尤其是SHA3-512），它在存储和带宽需求上可能会显得有些“过度”，对于某些需要小型哈希的应用场景，可能不太合适。

SHA-3应用场景：

  • 数字签名和身份验证：

    • 在需要高安全性和抗碰撞的场景中，SHA-3比SHA-2更合适。

  • 密码学应用：

    • SHA-3适用于在加密协议和应用中用作哈希函数，尤其是在考虑未来量子计算威胁时，它可能会提供更强的保护。

  • 区块链：

    • 在一些新兴区块链项目中，SHA-3作为比SHA-2更强的哈希算法，可能会成为未来的主流选择。

  • 文件完整性和哈希表：

    • 由于SHA-3能够提供灵活的输出长度，它也适用于文件完整性校验和哈希表等应用。

SHA-3的实际使用：

尽管SHA-3在理论上具有许多优点，但由于SHA-2仍然非常强大并且在广泛的应用中表现良好，因此SHA-3的采用并不像SHA-2那样广泛。SHA-3主要用于一些高安全性需求或对现有标准不满意的领域。

SHA-3的实际使用示例（Python代码） ：

python
复制代码
import hashlib

# SHA3-256 哈希
data = "Hello, SHA-3!".encode('utf-8')
hash_obj = hashlib.sha3_256(data)
print("SHA3-256 Hash:", hash_obj.hexdigest())

# SHAKE256 可变长度哈希（例如输出128位的哈希值）
shake_obj = hashlib.shake_256(data)
shake_hash = shake_obj.hexdigest(32)  # 输出128位
print("SHAKE256 Hash (128 bits):", shake_hash)

总结：

SHA-3作为一种新型哈希算法，采用了海绵构造，具有更强的抗碰撞性和灵活性，特别适用于需要高安全性或抗量子计算的场景。虽然目前SHA-2仍然是最常用的哈希算法，但随着对更强安全性的需求增加，SHA-3将在未来逐步得到更多应用。

海绵构造（Sponge Construction） 和 Merkle-Damgård构造 是两种用于设计加密哈希函数的基本方法，它们在安全性、性能和适用性上有显著的差异。下面我们将详细介绍这两种构造方法。

1. Merkle-Damgård 构造

Merkle-Damgård构造是最早的加密哈希算法结构之一，它广泛用于SHA系列（如SHA-1、SHA-2）和MD系列（如MD5）。这种结构由 Ralph Merkle 和 Ivan Damgård 独立提出，并被广泛应用于加密领域。

Merkle-Damgård 构造的工作原理：

Merkle-Damgård构造的基本思想是将输入数据分块，并通过一个单向函数（通常是迭代的哈希算法）进行处理。

  1. 填充（Padding） ：

    • 首先，输入消息被填充至一定的长度，使得其长度是固定的块大小的倍数。填充过程包括在消息后添加“1”比特，然后根据需要补充“0”比特。
    • 填充的目的是确保消息长度与哈希函数的处理块大小兼容。

  2. 分块处理：

    • 将填充后的消息分成固定长度的块，逐个块地处理。
    • 每个块与上一个块的输出（初始值为一个常量，比如哈希函数的初始向量IV）通过单向哈希函数（如MD5、SHA-1等）进行处理。

  3. 迭代计算：

    • 每个块通过哈希函数计算后，与前一个计算结果（哈希值）结合，得到新的哈希值。这个过程反复进行，直到所有的消息块都被处理。

  4. 输出：

    • 最终的输出是最后一个迭代的结果，通常称为“哈希值”或“摘要”。

Merkle-Damgård 构造的优缺点：

  • 优点：

    • 简单易实现，具有良好的数学理论基础。
    • 适用于基于“块处理”的哈希函数，可以高效地在硬件和软件中实现。
    • 通过增加内存和迭代次数，可以提高其安全性。

  • 缺点：

    • 长度扩展攻击（Length Extension Attack） ：由于这种结构的设计，攻击者可以利用已知的哈希值和消息的一部分（比如原文数据）来扩展消息，而不需要知道原始消息。这个攻击漏洞在SHA-1和MD5中尤为明显。
    • 不支持可变输出长度：Merkle-Damgård构造通常会生成固定长度的输出，这对于某些应用场景可能会不适应。

  • 应用：

    • 被广泛用于SHA-1、SHA-2、MD5等哈希算法。

示意图：

rust
复制代码
消息 --> 填充 --> 分块 --> 迭代计算 --> 哈希输出

2. 海绵构造（Sponge Construction）

海绵构造是一种更为现代化的哈希函数设计方法，特别用于SHA-3（Keccak）的设计。与Merkle-Damgård构造不同，海绵构造具有更强的安全性和灵活性，尤其在抗碰撞性和灵活输出方面有显著优势。

海绵构造的工作原理：

海绵构造基于 状态（State） 和 吸收（Absorbing） 、压缩（Squeezing） 过程，通过多次的状态转换来处理输入和生成输出。

  1. 状态初始化：

    • 海绵构造定义了一个固定大小的状态（通常为 f 位）。这个状态是哈希计算的核心。
    • 状态初始化为一个零向量（或者一些其他的初始值）。

  2. 吸收（Absorbing）过程：

    • 将消息分成块，每块通过异或操作（XOR）与当前状态的前部分结合，更新状态。
    • 这一步通过多次的 “吸收” 操作将输入数据“吸入”到状态中，每次吸收一个消息块。

  3. 压缩（Squeezing）过程：

    • 一旦所有消息块都吸收到状态中，海绵构造开始通过“压缩”过程提取出哈希值。
    • 状态的“输出部分”会被提取作为哈希值的输出，并且输出可以是可变长度（比如SHAKE系列的输出长度可调）。

  4. 重复吸收与压缩：

    • 如果需要更多的输出，可以继续提取状态中的数据并压缩，直到输出满足需要的长度。

海绵构造的优缺点：

  • 优点：

    1. 灵活性：

      • 海绵构造可以生成固定长度或可变长度的哈希输出，适应性非常强，能够满足不同应用的需求。
      • 比如，SHAKE256可以通过指定长度输出任意位数的哈希值，适用于需要短哈希的场合。

    2. 抗碰撞性强：

      • 海绵构造避免了Merkle-Damgård的长度扩展攻击，提供了更强的安全性。由于其设计与输出依赖于整个输入的处理，它更难受到攻击。

    3. 不容易受到长度扩展攻击：

      • 由于海绵构造的设计方式，攻击者不能轻易通过已知的哈希值和一部分消息来修改哈希输出，这避免了Merkle-Damgård构造的漏洞。

  • 缺点：

    1. 较高的计算开销：

      • 海绵构造的设计在处理大量数据时，相较于Merkle-Damgård构造的计算效率可能稍低一些。

    2. 更复杂的实现：

      • 相对于Merkle-Damgård构造，海绵构造的算法更为复杂，尤其在硬件实现上可能不如简单的哈希算法那样高效。

    3. 较少的普及度：

      • 尽管海绵构造在理论上具有强大的优势，但由于SHA-2的广泛使用，SHA-3和海绵构造目前在实际应用中的普及度较低。

  • 应用：

    • 主要用于SHA-3（Keccak）和一些基于Keccak的密码学应用（如BLAKE2）。
    • 由于其灵活的输出，适用于各种密码学协议和高安全性要求的场景。

示意图：

rust
复制代码
状态初始化 --> 吸收数据 --> 压缩输出 --> 生成哈希值

Merkle-Damgård vs 海绵构造：

特性Merkle-Damgård海绵构造（Sponge Construction）
输出长度固定长度，不能灵活调整可变输出长度
抗长度扩展攻击容易受到长度扩展攻击强防长度扩展攻击
设计结构基于迭代处理，每个消息块依赖前一个哈希值基于状态转换，处理所有输入后输出哈希值
安全性随着理论研究发现漏洞，如碰撞攻击设计更强，抗碰撞性和扩展性更好
计算效率高效，但在安全性提高时可能性能下降理论上较慢，但设计灵活，可以适应不同需求
应用SHA-1、SHA-2、MD5等SHA-3（Keccak）、BLAKE2等

总结：

  • Merkle-Damgård 构造简单且计算效率较高，但它容易受到 长度扩展攻击，并且输出长度固定，不适应某些特定场景。
  • 海绵构造 提供了更强的 抗碰撞性 和 灵活性，能够根据需要生成任意长度的输出，且不受长度扩展攻击的影响，是 SHA-3 和其他现代哈希算法的核心，但实现上较为复杂，计算上也可能稍慢。

两种结构各有优缺点，选择使用哪种结构通常取决于具体的应用场景、安全需求和计算效率要求。

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