【密码算法 之八】Hash类算法（单向散列函数） MD5 \ SHA1 \ SHA224 \ SHA256 \ SHA384 \ SHA512等浅析
1. 综述
Hash算法，又称单向散列函数（one-way hash function）。
单向散列函数有一个输入和一个输出，其中输入称为消息（message），输出称为散列值（hash value）。单向散列函数可以根据消息的内容计算出散列值，而散列值就可以被用来计算消息的完整性。
单向散列函数也称为消息摘要函数（message digest function）、哈希函数或者杂凑函数。
输入单向散列函数的消息也称为原像（pre-image）。
单向散列函数输出的散列值 也称为消息摘要（message digest）或指纹（fingerprint），相当于该消息的身份证。
单向散列函数有多种实现方式，常见的有MD5、SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、SHA-3等。
2. 特性
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）。
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的区别。这一特性也叫抗碰撞性，对于抗碰撞弱的算法，我们不应该使用。
具备单向性
单向散列函数必须具有单向性（one-way）。单向性是指无法通过散列值推算出消息的性质，通过消息计算散列值是非常容易的，但是反过来是行不通的。
3. SM3
SM3密码杂凑算法是中国国家密码管理局2010年公布的中国商用密码杂凑算法标准。该算法于2012年发布为密码行业标准(GM/T 0004-2012)，2016年发布为国家密码杂凑算法标准(GB/T 32905-2016)。
SM3适用于商用密码应用中的数字签名和验证，是在SHA-256基础上改进实现的一种算法，其安全性和SHA-256相当。SM3和MD5的迭代过程类似，也采用Merkle-Damgard结构。消息分组长度为512位，摘要值长度为256位。
整个算法的执行过程可以概括成四个步骤：消息填充、消息扩展、迭代压缩、输出结果。
4. MD5
MD4是由Rivest于1990年设计的单向散列函数，能够产生 128比特 的散列值（RFC1186，修订版RFC1320）。
MD5是由Rivest于1991年设计的单向散列散列函数，能够产生 128比特 的散列值（RFC1321）。
MD4和MD5中的MD是消息摘要（Message Digest）的缩写。目前这两个单向散列函数均已经不安全了。
5. SHAx
SHA-1是由NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准技术研究所）设计的一种能够产生 160比特 散列值的单向散列函数。目前SHA-1已经被列入“可谨慎运用的密码清单”，即除了用于保持兼容性的目的外，其他情况下都不推荐使用。
SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512都是由NIST设计的单向散列函数，他们的散列值长度分别为 224比特、256比特、384比特、512比特 。这些单向散列函数合起来统称SHA-2。
SHA-2共包含下列6种版本，这6种SHA-2版本实质上都是由SHA-256和SHA-512两个版本衍生出来的。
| 名称 | 输出长度 | 内部状态长度 | 备注 |
|---|---|---|---|
| SHA-224 | 224 | 32*8=256 | 将SHA-256的结果截掉32比特 |
| SHA-256 | 256 | 32*8=256 | |
| SHA-512/224 | 224 | 64*8=512 | 将SHA-512的结果截掉288比特 |
| SHA-512/256 | 256 | 64*8=512 | 将SHA-512的结果截掉256比特 |
| SHA-384 | 384 | 64*8=512 | 将SHA-512的结果截掉128比特 |
| SHA-512 | 512 | 64*8=512 |
6. 典型应用场景
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。其主要的应用场景如下：
6.1 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。
6.2 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。
6.3 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。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。
6.4 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。
7. 总结
MD5与SHA-1算法已被攻破，不应该再用于新的用途；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 | 分组长度（bytes） | 输出长度（hash value）(bytes） | 是否安全 |
|---|---|---|---|
| SM3 | 64 | 32 | 安全 |
| MD4 | 64 | 16 | 不安全 |
| MD5 | 64 | 16 | 不安全 |
| SHA1 | 64 | 20 | 不安全 |
| SHA224 | 64 | 28 | 安全 |
| SHA256 | 64 | 32 | 安全 |
| SHA384 | 128 | 48 | 安全 |
| SHA512 | 128 | 64 | 安全 |
各种算法的链接地址如下：
【密码算法 之零】对称算法（DES,、3DES、 AES、DM5、HMAC、CMAC、SHAxx、SM3、SM4），非对称算法（RSA、ECC、ECDSA、ECDH、SM2、SM9…）
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