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码农StayUp

2021/09/27  阅读:22  主题:自定义主题1

一文搞懂单向散列函数

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主页地址:https://gozhuyinglong.github.io

源码分享:https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos

1. 定义

单向散列函数(one-way hash function)是指对不同的输入值,通过单向散列函数进行计算,得到固定长度的输出值。这个输入值称为消息(message),输出值称为散列值(hash value)。

单向散列函数
单向散列函数

单向散列函数也被称为消息摘要函数(message digest function)、哈希函数或者杂凑函数。输入的消息也称为原像(pre-image)。输出的散列值也称为消息摘要(message digest)或者指纹(fingerprint),相当于该消息的身份证。

单向散列函数有多种实现算法,常见的有:MD5SHA-1SHA-2SHA-3

2. 特性

通过上面的定义,我们对单向散列函数的了解还是模糊的。下面介绍单向散列函数的特性,加深一下印象。

2.1 散列值长度固定

无论消息的长度有多少,使用同一算法计算出的散列值长度总是固定的。比如 MD5 算法,无论输入多少,产生的散列值长度总是 128 比特(16字节)。

然而比特是计算机能够识别的单位,而我们人类更习惯于使用十六进制字符串来表示(一个字节占用两位十六进制字符)。

散列值长度固定
散列值长度固定

2.2 消息不同其散列值也不同

使用相同的消息,产生的散列值一定相同。

使用不同的消息,产生的散列值也不相同。哪怕只有一个比特的差别,得到的散列值也会有很大区别。

这一特性也叫做抗碰撞性,对于抗碰撞性弱的算法,我们不应该使用。

消息不同其散列值也不同
消息不同其散列值也不同

2.3 具备单向性

只能通过消息计算出散列值,无法通过散列值反算出消息。

具备单向性
具备单向性

2.4 计算速度快

计算散列值的速度快。尽管消息越长,计算散列值的时间也越长,但也会在短时间内完成。

3. 常见算法

MD5 与 SHA-1 算法已被攻破,不应该被用于新的用途;SHA-2 与 SHA-3 还是安全的,可以使用。

SHA-2包括:SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

SHA-3包括:SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512。

算法名称 散列值长度 是否安全
MD5 128 不安全
SHA-1 160 不安全
SHA-224 224 安全
SHA-256 256 安全
SHA-384 384 安全
SHA-512 512 安全
SHA-512/224 224 安全
SHA-512/256 256 安全
SHA3-224 224 安全
SHA3-256 256 安全
SHA3-384 384 安全
SHA3-512 512 安全

4. 应用场景

单向散列函数并不能确保信息的机密性,它是一种保证信息完整性的密码技术。下面来看它的应用场景。

4.1 用户密码保护

用户在设置密码时,不记录密码本身,只记录密码的散列值,只有用户自己知道密码的明文。校验密码时,只要输入的密码正确,得到的散列值一定是一样的,表示校验正确。

为了防止彩虹表破解,还可以为密码进行加盐处理,只要验证密码时,使用相同的盐即可完成校验。

用户密码保护
用户密码保护

使用散列值存储密码的好处是:即使数据库被盗,也无法将密文反推出明文是什么,使密码保存更安全。

4.2 接口验签

为了保证接口的安全,可以采用签名的方式发送。

发送者与接收者要有一个共享秘钥。当发送者向接收者发送请求时,参数中附加上签名(签名由共享秘钥 + 业务参数,进行单向散列函数加密生成)。接收者收到后,使用相同的方式生成签名,再与收到的签名进行比对,如果一致,验签成功。

这样即可以验证业务参数是否被篡改,又能验明发送者的身份。

接口验签
接口验签

4.3 文件完整性校验

文件被挂载到网站时,同时也附上其散列值和算法,比如 Tomcat 官网。

Tomcat官网下载页面
Tomcat官网下载页面

用户下载后,计算其散列值,对比结果是否相同,从而校验文件的完整性。

4.4 云盘秒传

当我们将自己喜欢的视频放到网盘上时,发现只用了几秒的时间就上传成功了,而这个文件有几个G大小,是怎么做到的呢?

其实这个“秒传”功能可以利用单向散列函数来实现。

当我们上传一个文件时,云盘客户端会先为该文件生成一个散列值。拿着这个散列值去数据库中匹配,如果匹配到,说明该文件已经在云服务器存在。只需将该散列值与用户进行关联,便可完成本次“上传”。

这样,一个文件在云服务器上只会存一份,大大节约了云服务器的空间。

云盘秒传
云盘秒传

5. 代码实现

JDK的 java.security.MessageDigest 类为我们提供了消息摘要算法,用于 MD5和SHA的散列值生成。下面代码做了简单的封装,便于直接使用。

public class MDUtil {

    /**
     * MD5 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 32位十六进制字符串
     */

    public static String MD5(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * MD5 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 32位十六进制字符串
     */

    public static String MD5(String data) {
        return MD5(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-1 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 40位十六进制字符串
     */

    public static String SHA1(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-1 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 40位十六进制字符串
     */

    public static String SHA1(String data) {
        return SHA1(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-224 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 56位十六进制字符串
     */

    public static String SHA224(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-224");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-224 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 56位十六进制字符串
     */

    public static String SHA224(String data) {
        return SHA224(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-256 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 64位十六进制字符串
     */

    public static String SHA256(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-256 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 64位十六进制字符串
     */

    public static String SHA256(String data) {
        return SHA256(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-384 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 96位十六进制字符串
     */

    public static String SHA384(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-384");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-384 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 96位十六进制字符串
     */

    public static String SHA384(String data) {
        return SHA384(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-512 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 128位十六进制字符串
     */

    public static String SHA512(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-512");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-512 加密
     *
     * @param data 要加密的数据
     * @return 128位十六进制字符串
     */

    public static String SHA512(String data) {
        return SHA512(data.getBytes());
    }

    /**
     * 将字节数组转换为十六进制字符串
     *
     * @param bytes 字节数组
     * @return 十六进制字符串
     */

    private static String bytesToHexString(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexValue = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            int val = b & 0xFF;
            if (val < 16) {
                hexValue.append("0");
            }
            hexValue.append(Integer.toHexString(val));
        }
        return hexValue.toString();
    }

}

下面分别使用这些算法计算“123456”的散列值:

public static void main(String[] args) {
    System.out.println("MD5\t\t" + MDUtil.MD5("123456"));
    System.out.println("SHA-1\t" + MDUtil.SHA1("123456"));
    System.out.println("SHA-224\t" + MDUtil.SHA224("123456"));
    System.out.println("SHA-256\t" + MDUtil.SHA256("123456"));
    System.out.println("SHA-384\t" + MDUtil.SHA384("123456"));
    System.out.println("SHA-512\t" + MDUtil.SHA512("123456"));
}

输出结果:

MD5      e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e
SHA-1    7c4a8d09ca3762af61e59520943dc26494f8941b
SHA-224  f8cdb04495ded47615258f9dc6a3f4707fd2405434fefc3cbf4ef4e6
SHA-256  8d969eef6ecad3c29a3a629280e686cf0c3f5d5a86aff3ca12020c923adc6c92
SHA-384  0a989ebc4a77b56a6e2bb7b19d995d185ce44090c13e2984b7ecc6d446d4b61ea9991b76a4c2f04b1b4d244841449454
SHA-512  ba3253876aed6bc22d4a6ff53d8406c6ad864195ed144ab5c87621b6c233b548baeae6956df346ec8c17f5ea10f35ee3cbc514797ed7ddd3145464e2a0bab413

我用的是Java8,还不支持 SHA-3,所以上面代码只封装了MD5、SHA-1和SHA-2。

Java8支持的算法
Java8支持的算法

从Java9开始支持SHA-3

Java9支持的算法
Java9支持的算法

6. 完整代码

完整代码请访问我的Github,若对你有帮助,欢迎给个Star,谢谢!

https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-source-analysis/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/utils/MDUtil.java

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