密碼學(xué)Hash函數(shù)分析與應(yīng)用

徐秀華

第一章 Hash函數(shù)的研究現(xiàn)狀

通過閱讀《密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全——原理與實踐（第五版）》的相關(guān)章節(jié)及從網(wǎng)上以及圖書館查閱相關(guān)資料，可以了解到，hash函數(shù)的設(shè)計已經(jīng)初具規(guī)模，從1989由Rivest等人設(shè)計了MD2算法之后，又設(shè)計了MD4以及MD5，雖然速度會稍慢些，但是安全性逐漸提升。再到1992、1993年RIPEMD以及美國RSA又對MD4、MD5進(jìn)行改進(jìn)，提出了SHA系列算法，密碼學(xué)Hash函數(shù)走上了正軌，RSA公司對SHA-0，SHA-1的設(shè)計、2002年美國NIST對SHA-1又進(jìn)行改進(jìn)增加了輸出長度，形成了SHA-2（包括SHA-512、SHA-384等算法）算法，再到2009年SHA-3的問世，密碼學(xué)Hash函數(shù)在不斷的發(fā)展壯大，安全性也逐漸提高。

第二章 Hash函數(shù)的定義

Hash函數(shù)是一類可以把輸入的任意長度的消息或數(shù)據(jù)塊x（又叫做預(yù)映射，pre-image），通過一定的散列算法進(jìn)行映射，變成固定長度的輸出值Hash值h=H（x），我們可以把這一類輸出的值h叫做散列值或者是消息摘要。

目前，根據(jù)Hash函數(shù)算法的設(shè)計方法的不同通常可以分為三種類型：標(biāo)準(zhǔn)型、基于模運(yùn)算性、基于分組加密型三種類型。

1.標(biāo)準(zhǔn)型的Hash函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)Hash函數(shù)一般來說可以分成兩部分，一部分是MD系列的，另一部分是SHA-系列的。

從1989年開始由Rivest等人設(shè)計了MD2的算法之后，又先后的設(shè)計了MD4還有MD5等算法，雖然后者在運(yùn)行速度可能稍慢些，但是安全性能在逐漸提升，以上為MD系列Hash算法。

再到1992、1993年以后RIPEMD以及美國RSA又對MD4、MD5進(jìn)行了改進(jìn)，提出SHA系列算法之后，密碼學(xué)Hash函數(shù)才逐漸走上了正軌，RSA對SHA-0，SHA-1進(jìn)行了設(shè)計、2002年美國NIST對SHA-1算法加以改進(jìn)增加了輸出長度，形成了SHA-2算法（包括SHA-512、SHA-384、SHA-256等算法），再到2009年SHA-3的問世，這些算法都是SHA-系列Hash函數(shù)。

2.基于分組機(jī)密型的Hash函數(shù)

基于分組密碼來構(gòu)造Hash函數(shù)具有一定的局限性，它不能使用分組密碼的組件一邊來設(shè)計Hash函數(shù)，而是僅能靠分組密碼的一些輸入輸出的模式進(jìn)行變換來構(gòu)造一些壓縮函數(shù)。利用分組密碼來構(gòu)造Hash函數(shù)是先對原始消息（單位為m）進(jìn)行填充，這樣進(jìn)行填充后的消息的總長度就是每一個分組長度（每一個分組的長度為n）的倍數(shù)，假設(shè)原始消息被分為了t組，Mi（i=1，2…t），把h0設(shè)為初始向量，那么hi=f（Mi，Hi-1）其中i=1，2…t，Ek是一組分組加密算法，其中消息長度為n，k為密鑰分組，H（m）=Ht。

其中以下為已經(jīng)證明了的安全Hash函數(shù)的一些方案：

1979年：Matyas-meyer-Oseas的hi=Eh （i-1）（mi）⊕mi

1989年：Miyaguchi-preneal的hi=Eh （i-1）（mi）⊕mi⊕h （i-1）

1979年：Davis-Meyer的hi= Eh （i-1）（mi）⊕h （i-1）

利用分組密碼來構(gòu)造Hash函數(shù)有它的優(yōu)缺點(diǎn)，其中優(yōu)點(diǎn)是它的發(fā)展已經(jīng)很成熟，設(shè)計效果也比較好，但是它的缺點(diǎn)卻是效率低，由于原始消息要先轉(zhuǎn)化成密鑰，密鑰一般又是不變的，所以它的運(yùn)行時間相對長而且安全性也不高。

3.基于模運(yùn)算型的Hash函數(shù)

此類Hash函數(shù)一般是要用到bit的一些邏輯性的運(yùn)算，如：與、或、異或（⊕）等運(yùn)算符，它是基于一些比較困難的數(shù)學(xué)問題，比如：離散數(shù)學(xué)的問題，因子分解的問題，背包的問題等進(jìn)行Hash函數(shù)的構(gòu)造。這類的運(yùn)算效率很低而且安全性對數(shù)學(xué)問題是否困難依賴太大，安全性也不好，所以運(yùn)用的相對較少。我們一般不會采用這種基于模運(yùn)算型進(jìn)行的Hash函數(shù)的構(gòu)造。

第三章 論Hash函數(shù)的重要應(yīng)用

1.消息認(rèn)證

對于消息認(rèn)證，它主要是用來驗證消息完整性的一種機(jī)制或服務(wù)，用來確保收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的一樣，一般來說，我們比較熟悉的認(rèn)證方法是奇偶校驗以及CRC校驗，但是這只是兩種校驗方式，只能檢測和糾正一定程度上的信道誤碼，但是并不能防止惡意攻擊對數(shù)據(jù)的破壞。

但是加密函數(shù)也有不方便的地方，比如說是加密后程序運(yùn)行速度變慢，而且加密軟件價格昂貴，大家不得不考慮成本的問題，有的加密軟件已經(jīng)申請了專利，這樣成本會更高，對于加密軟件的優(yōu)化也是對于大數(shù)據(jù)塊來說的。

2.數(shù)字簽名

Hash函數(shù)是當(dāng)代密碼學(xué)中的很重要的組成部分。它在數(shù)字簽名方面也有著很廣泛的應(yīng)用，對于數(shù)字簽名這種應(yīng)用，應(yīng)用過程如下，用公鑰私鑰加密方式來驗證消息的完整性，具體過程是：發(fā)送者用私鑰加密消息的Hash值，只要你知道公鑰，便可以通過這種方法來驗證消息的完整性，現(xiàn)在數(shù)字簽名的應(yīng)用比消息認(rèn)證更為廣泛。

3.其他應(yīng)用

它在其他方面的應(yīng)用，比如鑒權(quán)協(xié)議上的應(yīng)用，這種鑒權(quán)協(xié)議又可以被稱作是“挑戰(zhàn)——認(rèn)證模式”，它在傳輸信道中是可被偵聽的，但是在不可以被篡改的這樣一種情況下，這確實是一種簡單而又安全的方法。

第四章 結(jié)論

通過對本次論文的書寫，可以認(rèn)識到Hash函數(shù)在密碼學(xué)中的重要應(yīng)用，它能夠保證數(shù)據(jù)的完整性以及不可否認(rèn)性。認(rèn)識到它在是消息認(rèn)證和數(shù)字簽名方面的應(yīng)用。對于消息認(rèn)證，它是用來驗證消息完整性的一種機(jī)制或服務(wù)，確保收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送的一樣。但是加密函數(shù)也有不方便的地方，比如說是加密后程序運(yùn)行速度變慢，而且加密軟件價格昂貴，大家不得不考慮成本的問題，有的加密軟件已經(jīng)申請了專利，這樣成本會更高，對于加密軟件的優(yōu)化也是對于大數(shù)據(jù)快來說的。對于數(shù)字簽名這種應(yīng)用，用公鑰私鑰加密方式來驗證消息的完整性，具體過程是：發(fā)送者用私鑰加密消息的Hash值，只要你知道公鑰，便可以通過這種方法來驗證消息的完整性。

hash函數(shù)是密碼學(xué)領(lǐng)域的重要部分，但是Hash函數(shù)確實存在安全性的缺陷，安全性更高的hash算法能夠滿足應(yīng)用的需求，通過對主流Hash算法如：MD5，SHA-1以及SHA-2等Hash算法的安全性進(jìn)行效率分析，掌握hash函數(shù)安全性評估方法，并且能夠正確使用hash函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對設(shè)計更安全的Hash函數(shù)找到自己的創(chuàng)新之處。