圖學(xué)院第五單元開課啦！這單元我們將學(xué)習(xí)哈希函數(shù)及其在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用。
哈希函數(shù)的定義
哈希函數(shù)(Hash Function)是一個(gè)公開函數(shù)，用于將任意長的消息M映射為較短的、固定長度的一個(gè)值H(M)，又稱為散列函數(shù)、雜湊函數(shù)。我們稱函數(shù)值H(M)為哈希值、雜湊值、雜湊碼、或消息摘要。
雜湊值是消息中所有比特的函數(shù)，因此提供了一種錯(cuò)誤檢測能力，即改變消息中任何一個(gè)比特或幾個(gè)比特都會(huì)使雜湊值發(fā)生改變。
哈希函數(shù)的性質(zhì)
哈希函數(shù)具有如下性質(zhì)：
·H可以作用于一個(gè)任意長度的數(shù)據(jù)塊(實(shí)際上是不是任意，比如SHA-1要求不超過264)。
·H產(chǎn)生一個(gè)固定長度的輸出(比如SHA-1的輸出是160比特，SHA-256的輸出是256比特)。
·對(duì)任意給定的x，H(x)計(jì)算相對(duì)容易，無論是軟件還是硬件實(shí)現(xiàn)。
·單向性(抗原像)(One-Way)：對(duì)于任意給定的消息，計(jì)算其哈希值容易。但是，對(duì)于給定的哈希值h，要找到M使得H(M)＝h在計(jì)算上是不可行的。
其中前3條是實(shí)用性要求，后3條是安全性要求。
單向性：即給定消息可以產(chǎn)生一個(gè)哈希值，而給定哈希值不可能產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的消息；否則,設(shè)傳送數(shù)據(jù)C=<M,H(M‖K)>，K是密鑰。攻擊者可以截獲C，求出哈希函數(shù)的逆，從而得出H-1(C)，然后從M和M‖K即可得出K。
弱抗碰撞性：是保證一個(gè)給定的消息的哈希值不能找到與之相同的另外的消息，即防止偽造。否則，攻擊者可以截獲報(bào)文M及其哈希函數(shù)值H(M)，并找出另一報(bào)文M’使得H(M’)=H(M)。這樣攻擊者可用M’去冒充M，而收方不能發(fā)現(xiàn)。
強(qiáng)抗碰撞性：是對(duì)已知的生日攻擊方法的防御能力，強(qiáng)抗碰撞自然包含弱抗碰撞。
密碼學(xué)上安全的雜湊函數(shù)H應(yīng)具有以下性質(zhì)：
·對(duì)于任意的消息x，計(jì)算H(x)是容易的
·H是單向的
·H是強(qiáng)抗碰撞的
哈希函數(shù)的發(fā)展
1978年，Merkle和Damagad設(shè)計(jì)MD迭代結(jié)構(gòu)。
1993年，來學(xué)嘉和Messay改進(jìn)加強(qiáng)MD結(jié)構(gòu)。
在90年代初MIT Laboratory for Computer Science和RSA數(shù)據(jù)安全公司的Rivest設(shè)計(jì)了散列算法MD族，MD代表消息摘要。
MD族中的MD2、MD4和MD5都產(chǎn)生一個(gè)128位的信息摘要。
MD2(1989年)、MD4(1990年)、MD5(1991年)：由美國密碼學(xué)家羅納德·李維斯特(Ronald Linn Rivest)設(shè)計(jì)，經(jīng)MD2、MD3和MD4發(fā)展而來，輸出的是128位固定長度的字符串。
RIPEMD-128/160/320：國際著名密碼學(xué)Hans Dobbertin在1996年攻破了MD4算法的同時(shí)，也對(duì)MD5的安全性產(chǎn)生了質(zhì)疑，從而促使他設(shè)計(jì)了一個(gè)類MD5的RIPEMD-160。在結(jié)構(gòu)上，RIPEMD-160可以視為兩個(gè)并行的類MD5算法，這使得RIPEMD-160的安全性大大提高。
值得注意的是，MD4、MD5已經(jīng)在2004年8月Crypto2004上，被我國密碼學(xué)者王小云等破譯，即在有效的時(shí)間內(nèi)找到了它們的大量碰撞。
SHA系列算法是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)根據(jù)Rivest設(shè)計(jì)的MD4和MD5開發(fā)的算法.美國國家安全局(National Security Agency，NSA)發(fā)布SHA作為美國政府標(biāo)準(zhǔn)。
SHA-0-SHA-0正式地稱作SHA，這個(gè)版本在發(fā)行后不久被指出存在弱點(diǎn).
SHA-1-SHA-1是NIST于1994年發(fā)布的，它與MD4和MD5算法非常相似，被認(rèn)為是MD4和MD5的后繼者.
SHA-2-SHA-2實(shí)際上分為SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512算法。
2017年2月23日谷歌宣布，谷歌研究人員和阿姆斯特丹CWI研究所合作發(fā)布了一項(xiàng)新的研究，詳細(xì)描述了成功的SHA1碰撞攻擊。
NESSIE工程推薦使用的哈希算法有SHA-256/384/512和Whirlpool(Vincent Rijmen和Paulo S.L.M.Barreto在2000年設(shè)計(jì)，入選國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 10118-3)。(NESSIE是歐洲一項(xiàng)為期三年的密碼標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃,詳見：http://www.nessieproject.com/)
日本密碼研究與評(píng)估委員會(huì)推薦使用的算法有RIPEMD-160、SHA-256/384/512。
此外，NIST于2008年啟動(dòng)新的哈希標(biāo)準(zhǔn)的征集活動(dòng)。
·除迭代結(jié)構(gòu)以外的結(jié)構(gòu)
·適用于任何平臺(tái)的壓縮函數(shù)
2008年10月提交文檔，收到64個(gè)算法，公開56個(gè)，51個(gè)進(jìn)入第一輪評(píng)估。2009年10月，第二輪評(píng)估開始，剩余14個(gè)算法。第三輪剩余五個(gè)算法，2012年10月2日，Keccak被選為SHA-3。
