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哈希算法

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哈希算法(Hash)又称摘要算法(Digest),它的作用是:对任意一组输入数据进行计算,得到一个固定长度的输出摘要。

哈希算法最重要的特点就是:

  • 相同的输入一定得到相同的输出;
  • 不同的输入大概率得到不同的输出。

哈希算法的目的就是为了验证原始数据是否被篡改。

Java字符串的hashCode()就是一个哈希算法,它的输入是任意字符串,输出是固定的4字节int整数:

"hello".hashCode(); // 0x5e918d2
"hello, java".hashCode(); // 0x7a9d88e8
"hello, bob".hashCode(); // 0xa0dbae2f

两个相同的字符串永远会计算出相同的hashCode,否则基于hashCode定位的HashMap就无法正常工作。这也是为什么当我们自定义一个class时,覆写equals()方法时我们必须正确覆写hashCode()方法。

哈希碰撞

哈希碰撞是指,两个不同的输入得到了相同的输出:

"AaAaAa".hashCode(); // 0x7460e8c0
"BBAaBB".hashCode(); // 0x7460e8c0

有童鞋会问:碰撞能不能避免?答案是不能。碰撞是一定会出现的,因为输出的字节长度是固定的,StringhashCode()输出是4字节整数,最多只有4294967296种输出,但输入的数据长度是不固定的,有无数种输入。所以,哈希算法是把一个无限的输入集合映射到一个有限的输出集合,必然会产生碰撞。

碰撞不可怕,我们担心的不是碰撞,而是碰撞的概率,因为碰撞概率的高低关系到哈希算法的安全性。一个安全的哈希算法必须满足:

  • 碰撞概率低;
  • 不能猜测输出。

不能猜测输出是指,输入的任意一个bit的变化会造成输出完全不同,这样就很难从输出反推输入(只能依靠暴力穷举)。假设一种哈希算法有如下规律:

hashA("java001") = "123456"
hashA("java002") = "123457"
hashA("java003") = "123458"

那么很容易从输出123459反推输入,这种哈希算法就不安全。安全的哈希算法从输出是看不出任何规律的:

hashB("java001") = "123456"
hashB("java002") = "580271"
hashB("java003") = ???

常用的哈希算法有:

算法输出长度(位)输出长度(字节)
MD5128 bits16 bytes
SHA-1160 bits20 bytes
RipeMD-160160 bits20 bytes
SHA-256256 bits32 bytes
SHA-512512 bits64 bytes

根据碰撞概率,哈希算法的输出长度越长,就越难产生碰撞,也就越安全。

Java标准库提供了常用的哈希算法,并且有一套统一的接口。我们以MD5算法为例,看看如何对输入计算哈希:

import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = md.digest(); // 16 bytes: 68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

使用MessageDigest时,我们首先根据哈希算法获取一个MessageDigest实例,然后,反复调用update(byte[])输入数据。当输入结束后,调用digest()方法获得byte[]数组表示的摘要,最后,把它转换为十六进制的字符串。

运行上述代码,可以得到输入HelloWorld的MD5是68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6

哈希算法的用途

因为相同的输入永远会得到相同的输出,因此,如果输入被修改了,得到的输出就会不同。

我们在网站上下载软件的时候,经常看到下载页显示的哈希:

file-md5

如何判断下载到本地的软件是原始的、未经篡改的文件?我们只需要自己计算一下本地文件的哈希值,再与官网公开的哈希值对比,如果相同,说明文件下载正确,否则,说明文件已被篡改。

哈希算法的另一个重要用途是存储用户口令。如果直接将用户的原始口令存放到数据库中,会产生极大的安全风险:

  • 数据库管理员能够看到用户明文口令;
  • 数据库数据一旦泄漏,黑客即可获取用户明文口令。

不存储用户的原始口令,那么如何对用户进行认证?

方法是存储用户口令的哈希,例如,MD5。

在用户输入原始口令后,系统计算用户输入的原始口令的MD5并与数据库存储的MD5对比,如果一致,说明口令正确,否则,口令错误。

因此,数据库存储用户名和口令的表内容应该像下面这样:

usernamepassword
bobf30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1
alice25d55ad283aa400af464c76d713c07ad
tim5f4dcc3b5aa765d61d8327deb882cf99

这样一来,数据库管理员看不到用户的原始口令。即使数据库泄漏,黑客也无法拿到用户的原始口令。想要拿到用户的原始口令,必须用暴力穷举的方法,一个口令一个口令地试,直到某个口令计算的MD5恰好等于指定值。

使用哈希口令时,还要注意防止彩虹表攻击。

什么是彩虹表呢?上面讲到了,如果只拿到MD5,从MD5反推明文口令,只能使用暴力穷举的方法。

然而黑客并不笨,暴力穷举会消耗大量的算力和时间。但是,如果有一个预先计算好的常用口令和它们的MD5的对照表:

常用口令MD5
hello123f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1
1234567825d55ad283aa400af464c76d713c07ad
passw0rdbed128365216c019988915ed3add75fb
19700101570da6d5277a646f6552b8832012f5dc
202012316879c0ae9117b50074ce0a0d4c843060

这个表就是彩虹表。如果用户使用了常用口令,黑客从MD5一下就能反查到原始口令:

bob的MD5:f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1,原始口令:hello123

alice的MD5:25d55ad283aa400af464c76d713c07ad,原始口令:12345678

tim的MD5:bed128365216c019988915ed3add75fb,原始口令:passw0rd

这就是为什么不要使用常用密码,以及不要使用生日作为密码的原因。

即使用户使用了常用口令,我们也可以采取措施来抵御彩虹表攻击,方法是对每个口令额外添加随机数,这个方法称之为加盐(salt):

digest = md5(salt+inputPassword)

经过加盐处理的数据库表,内容如下:

usernamesaltpassword
bobH1r0aa5022319ff4c56955e22a74abcc2c210
alice7$p2we5de688c99e961ed6e560b972dab8b6a
timz5Sk91eee304b92dc0d105904e7ab58fd2f64

加盐的目的在于使黑客的彩虹表失效,即使用户使用常用口令,也无法从MD5反推原始口令。

SHA-1

SHA-1也是一种哈希算法,它的输出是160 bits,即20字节。SHA-1是由美国国家安全局开发的,SHA算法实际上是一个系列,包括SHA-0(已废弃)、SHA-1、SHA-256、SHA-512等。

在Java中使用SHA-1,和MD5完全一样,只需要把算法名称改为"SHA-1"

import java.math.BigInteger;
import java.security.MessageDigest;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = md.digest(); // 20 bytes: 6f44e49f848dd8ed27f73f59ab5bd4631b3f6b0d
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

类似的,计算SHA-256,我们需要传入名称"SHA-256",计算SHA-512,我们需要传入名称"SHA-512"。Java标准库支持的所有哈希算法可以在这里查到。

注意:MD5因为输出长度较短,短时间内破解是可能的,目前已经不推荐使用。

小结

哈希算法可用于验证数据完整性,具有防篡改检测的功能;

常用的哈希算法有MD5、SHA-1等;

用哈希存储口令时要考虑彩虹表攻击。


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