信息安全（一）：单向散列函数

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：MD5、SHA-1、SHA-2和 SHA-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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

从Java9开始支持SHA-3

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