加密HASH函數(shù)及其應(yīng)用研究

劉翔

摘要：Hash函數(shù)也稱散列函數(shù)，它是一種單向密碼體制，可以將任意長度的輸入信息經(jīng)過變換后得到固定長度的輸出。在數(shù)據(jù)完整性認(rèn)證、數(shù)字簽名等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，論文介紹了Hash函數(shù)的基本概念、特性及一般結(jié)構(gòu)，對常用的Hash函數(shù)進(jìn)行了對比分析，并對Hash函數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域詳細(xì)進(jìn)行了研究，對以后的研究工作有一定的作用。

關(guān)鍵詞：雜湊函數(shù)；加密解密；數(shù)字簽名；消息認(rèn)證

中圖分類號：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0054-02

[Hash]函數(shù)也稱雜湊函數(shù)或散列函數(shù)，通常用來構(gòu)造數(shù)據(jù)的短“指紋”。即對任意長度的輸入消息[M]，經(jīng)過[N]次變換后，得到固定長度的輸出。[Hash]函數(shù)是一種單向密碼體制，它是一個從明文到密文的不可逆映射，只有加密過程，不能解密。[Hash]函數(shù)的這種單向性特征和輸出數(shù)據(jù)的長度固定的特性使得它可以生成消息或其它數(shù)據(jù)塊的“指紋”，在消息完整性認(rèn)證、數(shù)字簽名等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。

1 [HASH]函數(shù)概念及安全性要求

1.1 [Hash]函數(shù)概念[2]

一個[Hash]函數(shù)是滿足以下要求的四元組[（X，Y，K，H）：]

1）[X]代表所有消息的集合；

2）[Y]是所有消息指紋的集合；

3）[K]代表所有密鑰的有限集；

4）[H]代表加密[Hash]函數(shù)；

1.2 [HASH]函數(shù)的安全性要求[3]

1）有數(shù)據(jù)壓縮功能：能將任意長度的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個固定長度的輸出；

2）具有單向性：由[H（M）]計算消息指紋很容易，反之則不能，即對給定的一個散列值，不可能找出一條消息[M']的散列值正好相等。

3）抗碰撞性：所謂碰撞性是指兩個不同的消息[M]和[M'] ，如果它們的散列值相同，即[H（M）=H（M'）]，則發(fā)生碰撞。如果[M≠M(fèi)']，則有[H（M）≠H（M'）]，即使[M]和[M']差別非常小，甚至只有一個比特的差別，它們的散列值也會有很大的不同（強(qiáng)抗碰撞性）；給定消息[M]和其散列值[H（M）]，要找到另一個與[M]不同的消息[M']，使得[H（M）=H（M'）]是不可能的（弱抗碰撞性）。

2 [HASH]函數(shù)的一般結(jié)構(gòu)

安全[Hash]函數(shù)一般結(jié)構(gòu)如下圖所示，這是一種迭代結(jié)構(gòu)[Hash]函數(shù)，對于輸入的報文[M]，首先將其分為N個固定長度的分組，如果最后一個數(shù)據(jù)塊不滿足輸入分組的長度要求，可以進(jìn)行填充[4]。

3 安全[HASH]函數(shù)比較

安全[Hash]算法（SHA）由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST開發(fā)，作為聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)于1993年發(fā)表，1995年修訂為SHA-1。SHA-1基于MD4算法，并且在設(shè)計方面很大程度上是模仿MD4的。后來還新增了SHA-256、SHA-384和SHA-512三個散列算法標(biāo)準(zhǔn)，它們的消息摘要長度分別為256、384和512，以便與AES的使用相匹配，現(xiàn)在最新的是SHA-3，以下是各種SHA的比較[5]：

4 [HASH]函數(shù)的應(yīng)用

4.1 消息認(rèn)證

消息認(rèn)證的目的主要有兩個：一個是驗證信息的來源真實性，即信息來源認(rèn)證；另一個是驗證信息的完整性，即驗證信息在公共信道傳送或存儲過程是否被篡改、重放或延遲等?？梢杂米髡J(rèn)證的函數(shù)有消息加密函數(shù)、消息認(rèn)證碼（MAC）和散列函數(shù)三種，而散列函數(shù)是一個不需要密鑰的公開函數(shù)，它將任意長度的輸入消息映射成一個固定長度的輸出值，度以此值作為認(rèn)證標(biāo)識[6]。

[Hash]函數(shù)可以將任意長度的輸入消息[M]經(jīng)過若干次變換，成為固定長度的輸出，得到文檔的散列值輸出，即“消息指紋”可與放在安全地方的原有“指紋”進(jìn)行比對，如果消息被修改，那么這個兩個指紋就不會相等，從而表明此消息被篡改過。這就是保證了數(shù)據(jù)的完整性，實現(xiàn)消息認(rèn)證。

[A→B：M||E（K，H（M））]

4.2 數(shù)字簽名

數(shù)字簽名是一種給以電子形式存儲的消息簽名方法。并以某種形式將簽名“綁”到所簽文件上，與傳統(tǒng)的手寫簽名具有同等的效果，并能通過一個公開的驗證算法對它進(jìn)行確認(rèn)。

由于公鑰密碼學(xué)和對稱密碼學(xué)在加密和解密速度上的區(qū)別，在數(shù)字簽名中往往先使用雜湊函數(shù)對消息[M]實施“壓縮”運(yùn)算，接著對消息[M]的雜湊值實施簽名，這樣既起到了保密作用，又提高了加密速度。對于在數(shù)字簽名中使用的雜湊函數(shù)，要求它們具有更強(qiáng)的安全性能[7]。一個使用雜湊函數(shù)[H（M）]的數(shù)字簽名方案中的合法用戶不能找到一對不同的消息[（M，M'）]滿足[H（M）=H（M'）]，如果能找到這樣的消息，那她就可以簽署消息[M']，后來卻宣布她簽名的消息是[M']而不是[M]。如果找到這樣的消息對在計算上是不可行的，那么我們就稱它是抗碰撞（Collision Resistant）的或是碰撞自由（Collision Free）的。

4.3 其他應(yīng)用

雜湊函數(shù)在現(xiàn)代密碼學(xué)中具有非常廣泛的用途，比如用于安全存儲口令方面?；赱Hash]函數(shù)生成口令的散列值，比如在操作系統(tǒng)中保存用戶的ID和他的口令散列值，而不是口令本身，這有助于提高系統(tǒng)的安全性。當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)時要求輸入口令，這時系統(tǒng)重新計算用戶輸入口令的散列值并與系統(tǒng)中保存的數(shù)值相比較，當(dāng)?shù)葧r進(jìn)入系統(tǒng)，否則將被系統(tǒng)拒絕[8]。

[Hash]函數(shù)在入侵檢測和病毒掃描方面也有很好的應(yīng)用，比如可以為系統(tǒng)中每個文件進(jìn)行哈希函數(shù)運(yùn)算得到安全的[Hash]值，如果某個文件被非法修改就可以及時發(fā)現(xiàn)。

5 結(jié)論

單向散列函數(shù)可選的方案比較多，一般有SHA、MD5和基于分組密碼的構(gòu)造，而其他方案實在沒有得到足夠的重視和研究，目前比較流行的還是SHA，它的散列值比其他的要長，比各種分組密碼構(gòu)造更快[9]，并且由NSA研制，雖然山東大的王小云團(tuán)隊已在破解SHA-1上有很大的突破，但要投入實用還有很長的路要走，并且隨著SHA-384、SHA-512及SHA-3的出現(xiàn)，我們堅信SHA在密碼學(xué)上的應(yīng)用還是有很大的前途。

參考文獻(xiàn)：

[1] Stinson D R.密碼學(xué)原理與實踐[M].馮登國，譯. 3版.北京：電子工業(yè)出版社，2009：130-180.

[2] Wenbo Mao.現(xiàn)代密碼學(xué)理論與實踐[M]. 王繼林，伍前紅，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006：305-330.

[3] William Stallings.密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全——原理與實踐[M]. 孟慶樹，王麗娜，傅建明， 譯. 4版.北京：電子工業(yè)出版社，2006：229-249.

[4] Bruce Schneier.應(yīng)用密碼學(xué)協(xié)議、算法與C語言源程序[M]. 吳世忠，祝世雄，張文政. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2010：307-329.

[5 Forouzan B A.Cryptography and Network Security [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009：200-280.

[6]胡向東，魏琴芳，胡蓉.應(yīng)用密碼學(xué)[M]. 2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：166-200.

[7] Forouzan B A. Cryptography and Network Security[M]. Beijing： Tsinghua university press，2009：363-385.

[8] William Stallings. Cryptography and Network Security [M]. Beijing： Electronic industry press，2011：327-393.

[9] 張月，李海青.淺析加密技術(shù)在保密通信中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2015（21）：230-235.