什么是单向散列函数

1. 任意长度数据生成固定长度是散列
2. 快速计算
3. 消息变化散列变化
4. 单向不可逆，抗碰撞

应用场景

1. 文件完整性
2. 口令加密
3. 消息认证
4. 伪随机数
5. 配合非对称加密做数字签名
6. 比特币工作量证明

单向hash抗碰撞

弱抗碰撞

给定X和hash值的情况下，找到另外个数，hash值相同。

强抗碰撞

• 找到散列值相同的两个字符串
• MD5,SHA-1已经被攻破可以找到相同散列值的不同消息

常用的Hash算法

• MD5
• SHA1
• SHA2(SHA-256 SHA-384 SHA-512)
• SHA3 Keccak256 选举产生
• 国密SM3

MD5算法

• 消息摘要(Message Digest)
• 产生128比特(16字节) 散列值（RFC1321)
• 强抗碰撞已经被破, 2004年王小云攻破
• 已经不安全， 如果应用加salt
• 历史系统最广泛，效率高

原理

1. 补结尾处的字节， 取余448，补1后再补0,补足到448位
2. 剩余64位做存储原始数据的长度
3. 初始化MD缓冲, A: 01 23 45 67,B:89 1b cd ef …
4. 4个函数处理消息块

Open SSL实现MD5

#include <iostream>
#include <openssl/md5.h>using namespace std;//将二进制转换成16进制的文本字符
string char2Hex(unsigned char *out,  int len)
{const unsigned char hex_chars[] = "0123456789ABCDEF";string result;for (int i = 0; i < len; i++) {unsigned char ch = out[i];unsigned int hc = (ch >> 4) & 0xf;unsigned int lc = ch & 0x0f;//采用大端存储的方式拼接result += hex_chars[hc];result += hex_chars[lc];}return result;
}string MD5Hash(unsigned char *data, size_t len)
{//初始化MD5环境MD5_CTX ctx;MD5_Init(&ctx);// 计算MD5hash数据MD5_Update(&ctx, data, len);//读取数据unsigned char out[16] = { 0 }; // 只有16个字节//把数据读取到out中MD5_Final(out, &ctx);return char2Hex(out, 16);
}//采用简化模式实现MD5
string MD5HashSimple(unsigned char* data, size_t len)
{//读取数据unsigned char out[16] = { 0 }; // 只有16个字节//把数据读取到out中MD5(data, len, out);return char2Hex(out, 16);
}int main(int argc, char* argv[])
{unsigned char data[] = "测试md5数据";int len = sizeof(data);string result = MD5Hash(data, len);cout <<"MD5:"<<result<< endl;data[0] = '9';result = MD5HashSimple(data, len);cout << "MD5:" << result << endl;
}

计算文件的MD5值

string GetFileListHash(string filepath) 
{string hash;/ 以二进制方式ifstream ifs(filepath, ios::binary);if (!ifs)return hash;int block_size = 128;// 文件读取bufunsigned char buf[1024] = { 0 };//hash输出unsigned char out[1024] = { 0 };while (!ifs.eof()){ifs.read((char*)buf, block_size);int read_size = ifs.gcount();if (read_size < 0){ break; }MD5(buf, read_size, out);hash.insert(hash.end(), out, out + 16);}ifs.close();MD5((unsigned char*)hash.data(), hash.size(), out);return char2Hex(out, 16);
}

SHA-1算法

• 安全散列算法(Secure Hash Algorithm)
• 消息摘要（Message Digest)
• 产生160比特(20字节) 散列值H0 H1 H2 H3 H4。
• 强抗碰撞已经攻破， 在2005年王小云攻破。
• 和MD5一样都是由MD4导出。

代码演示

代码实现与MD5类似, 分为三步.

1. 初始化SHA上下文
2. 对数据进行hash计算
3. 读取hash计算结果
   代码如下:

string SHA1Hash(unsigned char* data, size_t len)
{// 首先也是初始化SHA1的上下文SHA_CTX ctx;SHA1_Init(&ctx);// 编码数据SHA1_Update(&ctx, data, len);//读取数据unsigned char out[20];SHA1_Final(out, &ctx);//将字节内容转换为字符return char2Hex(out, 20);
}

同样，为了方便调用,open ssl对上述过程进行了封装。仅用一个SHA1函数即可实现以上3步。测试代码如下

//简化函数实现SHA1
string SHA1HashSimple(unsigned char* data, size_t len)
{unsigned char out[20];SHA1(data, len, out);return char2Hex(out, 20);
}

测试:

int main(int argc, char* argv[])
{// --- 测试MD5unsigned char data[] = "测试md5数据";int len = sizeof(data);// 测试SHA1string hash = SHA1Hash(data, len);cout << "SHA1:\t" << hash << endl;//简介函数测试hash = SHA1HashSimple(data, len);cout << "SHA1:\t" << hash << endl;return 0;
}

运行结果:

使用sha1测试Merkle Tree算法

//文件可信树
string GetFileMerkleHash(string filepath)
{string hash;// 存放hash列表， 后面所有结果都存在其中vector<string> hashs;ifstream ifs(filepath, ios::binary);if (!ifs){cout << "文件" << filepath << "不存在" << endl;return hash;}unsigned char buf[1024] = { 0 };unsigned char out[1024] = { 0 };int block_size = 128;while (!ifs.eof()){ifs.read((char*)buf, block_size);int read_size = ifs.gcount();if (read_size <= 0){break;}SHA1(buf, read_size, out);hashs.push_back(string(out, out + 20));}while (hashs.size() > 1) // ==1表示已经计算到root节点{// 不是二的倍数补节点(二叉树)if (hashs.size() & 1){hashs.push_back(hashs.back());}// 把hash结果的hash结果还吸入到hashs中for (int i = 0; i < hashs.size() / 2; i++){// 两个节点拼起来, i表示的父节点string tmp_hash = hashs[i * 2]; // 左节点tmp_hash += hashs[i * 2 + 1]; // 右节点SHA1((const unsigned char*)tmp_hash.data(), tmp_hash.size(), out);// 写入结果hashs[i] = string(out, out + 20);}// hash列表删除上一次多余的hash值hashs.resize(hashs.size() / 2);}if (hashs.size() == 0) return hash;return char2Hex((unsigned char*)hashs[0].data(), 20);
}

SHA-2算法

类别	SHA-1	SHA-224	SHA-256	SHA-384	SHA-512
消息摘要长度	160	224	256	384	512
消息长度	小于$2^{64}$位	小于$2^{64}$位	小于$2^{64}$位	小于$2^{128}$位	小于$2^{128}$位
分组长度	512	512	512	1024	1024
计算字长度	32	32	32	64	64
计算步骤数	80	64	64	80	80

• 消息填充摸512与448同余补充消息长度。
• 初始化链接变量 缓冲区用8个32位寄存器（SHA256）
• 取自前8个素数(2、3、5、7、11、13、17、19）的平方根的小数部分其二进制表示的前32位$8\ast 32=256$.
• SHA512是用64位寄存器
• 以512位(64）分组位单位处理， 进行64步循环， SHA512以1024(128)位为以个分组
• SHA-384和SHA-512也都有6个迭代函数

string SHA256Hash(const unsigned char* data, size_t len) 
{// 初始化SHA256的上下文SHA256_CTX ctx;SHA256_Init(&ctx);// 开始写入数据SHA256_Update(&ctx, data, len);// 读取数据unsigned char out[32] = {0};SHA256_Final(out, &ctx);return char2Hex(out, 32);
}
string SHA256HashSimple(const unsigned char* data, size_t len) 
{unsigned char out[32];SHA256(data, len, out);return char2Hex(out, 32);
}

SHA-3算法

海绵结构， 把数据压到海绵里面。

1. 填充，
2. 分组4组
3. 与初始值异或