MD5消息摘要算法和SHA-1安全散列算法

MD5消息摘要算法和SHA-1 安全散列算法

MD5和SHA-1都是我们耳熟能详的术语了，很多人可能知道他们跟加密有关系，但是他们是怎么做到加密的，他们各自的特点又是什么。我来简单的讲一讲。

MD5和SHA-1都被称作哈希(Hash)函数：R=H(S)。用过Java语言的人对这个术语应该相当熟悉。

Java类库里的Object类定义了hashCode这个函数，但是java的概念略有不同。正式的哈希函数的定义是“把任意长度的数据计算成固定长度的数据（几乎是唯一的）”。也就是说函数的输入是任意长的，输出总是固定长度的。

MD5和SHA-1是两种加密用哈希函数，MD5的返回值总是128bit（16Bytes），或64bit(8Bytes)的，  SHA-1的返回值是160bit(20Bytes)，都是固定长度。MD5如果按十六进制表示的话是32位十六进制的数，SHA-1是40位十六进制的数。

你可以用下面两个网站试用这两个函数，这样有个感性认识：

MD5：http://tool.chinaz.com/tools/md5.aspx

SHA-1：http://www.qqxiuzi.cn/bianma/sha-1.htm

你输入任意长度的字符串，都会返回给你相应固定长度的十六进制返回值。这两个函数的返回值都被称为信息摘要(Message Digest，实际上MD就是Message Digest的缩写)。

 

那么两个函数为什么可以用在加密上呢？

因为他们都有这几个特性

1、都是“不可逆”的函数。

不存在一个算法能够由哈希值倒算出原始信息。 对原始信息的任何一点改变都会导致结果的哈希值巨大的不同。

举个例子，假如原始数据是几百万字的文章，你在其中哪怕改动一个标点，计算出的哈希值都会有很大的变化。

2、运算代价是相对较低的。

普通的AMDOpteron 2.2GHz的芯片，每秒可以计算出335MB数据的MD5值，可以计算192MB数据的SHA-1值。  

参见https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-1#Comparison_of_SHA_functions。

 类似于1，除非通过蛮力的穷举法 (举例：6位数密码：则000000 - 999999匹配)，否则无法找到两段不同的信息而有相同的哈希值。（这一点现在已被证明是不成立的了，请看后文）

3、那么这两个函数的特点在哪里呢？特点在于都能“通过哈希值唯一标识原信息”。

这个怎么讲，就是比如原始信息是A，我知道原始信息的哈希值Ha，如果我有另一段信息，这段信息的哈希值也是Ha的话，我就能“以极大的可靠性”断定这另一段信息就是A。也就是说哈希值能“唯一”标识原始信息。原因是什么呢？

 两段不同信息“碰巧”有着相同的哈希值的概率是很低的，对于MD5来说是2的128次方分之一，这个数字是多小呢：太阳的表面积是6万亿平方公里，一个原子的截面积大约是1平方纳米，假设你是一个原子，把你放在56个太阳中任意一个的表面，这个概率是我在这56个太阳上随意指定一点，正好点中你的概率，而你是一个小小小的原子。对SHA-1来说，这个概率就更低了。
    那么有没有办法人工伪造一段信息正好有Ha这个哈希值呢？根据上面的1和4，这个可能性是很低的，要通过穷举法的巨大的运算量才能做到。

 

那么他们通常有什么应用呢？

1.      密码加密（很常用的一种用法）
比如我有一个网站，用户注册的时候会输入用户名密码，大家都知道如果密码是明文的方式存储在数据库里的话，如果这个数据泄漏或者内部人员作恶的话，会造成信息安全问题。所以通用的做法是把用户输入的密码做MD5或SHA-1的运算，把返回的固定长度的哈希值存储在数据库中。比如用户的密码是”bigcat”，实际存储在数据库中的值是它的SHA-1的值a748bf7fee2289b22d448ed8efde10a68f7d1cf9。因为这两个函数的“不可逆”性，所以任何人拿到这个hash值是无法知道用户的明文密码的。

2.      文件校验
在网上下载大尺寸文件的时候常见到网站同时会提供这个文件的MD5的值，它的作用是用户下载后可以在下载文件基础上计算MD5的值，如果和网站提供的MD5是相同的说明文件在下载过程中没有损坏或者说文件没有被恶意网站修改。

3.      工作量证明(Proof ofWork)
上面两种应用比较常见，工作量证明就不那么常见了。这里有一篇关于工作量证明的很好的文章：http://www.zhihu.com/question/22369364/answer/23600737。

 曾经（在2005年之前），这两个哈希函数被认为是很好的Message Digest（信息摘要）函数，它们的返回值能够“唯一”标识原始信息，而在2005年，中国山东大学的王小云教授的惊天动地的发现颠覆了这一国际加密学的基础。详情请看我后续文章。