散列函数的应用及其安全性 周紫伊2016012043

Posted 2020-11-04 zhouzy539

目录：

一、散列函数的具体应用；

二、散列函数的安全性以及目前安全散列函数的发展；

三、md5算法来验证软件完整性时可能出现的问题。

 

一.散列函数的具体应用

Hash函数被广泛的应用于各种不同的安全应用和网络协议中。

（1）消息认证

消息认证是用来验证消息完整性的一种机制和服务。消息认证确保收到的数据确实和发送时的一样，还要求消息认证机制确保发送方声称的身份是真实有效的。当Hash函数用于提供消息认证功能时，Hash函数值通常被称为消息摘要。它可以用来验证信息的来源是真实的，而不是伪造的，此为消息源认证。也可以验证消息的完整性，即验证信息在传送或存储过程中是否被篡改。

（2）数字签名

Hash 算法也是现代密码体系中的一个重要组成部分。由于非对称算法的运算速度较慢，所以在数字签名协议中，单向散列函数扮演了一个重要的角色。利用单向散列函数计算出需要签名的消息的邮摘，再利用签名算法对邮摘签名来代替直接对原来的消息进行签名。有效地提高了签名的效率和速度，也减少了传输的信息量，节约了网络的带宽

（3）实现口令，密码等安全数据的安全存储

密码等很多关键数据我们需要在数据库中存储，但是在实际运用的过程中，只是作比较操作，顾而我们可以比较HASH结果。

（4）文件校验

譬如奇偶校验和CRC校验，这2种校验并没有抗数据篡改的能力，它们一定程度上能检测并纠正数据传输中的信道误码，但却不能防止对数据的恶意破坏。

（5）鉴权协议

需要鉴权的一方，向被鉴权的一方发送随机串（“挑战”），被鉴权方将该随机串和自己的鉴权口令字一起进行 Hash 运算后，返还鉴权方，鉴权方将收到的Hash值与在己端用该随机串和对方的鉴权口令字进行 Hash 运算的结果相比较（“认证”），如相同，则可在统计上认为对方拥有该口令字，即通过鉴权。

（6）基于Hash函数的PRF可用于对称密码中的密钥产生。

 

二、结合生日攻击、以及2004、2005年王晓云教授有关MD5安全性和2017年google公司SHA-1的安全性，说明散列函数的安全性以及目前安全散列函数的发展。

 1.关于生日攻击

生日攻击是利用概率论中的生日问题，找到冲突的Hash值，伪造报文，使身份验证算法失效。

防范方法:

     （1）使用安全的Hash算法：安全的Hash算法生成的Hash值有足够多的位数。这样，攻击者在寻找两个具有相同Hash值的文件时就会非常困难。

     （2）加盐：在为文件签名之前，先向文件添加一个随机值，然后计算Hash值，再将文件、签名和随机值一起发送给接收者。这样，攻击者必须找出具有特定Hash值的伪造文件，这非常困难。

     （3）改动文件：在为文件签名之前，对消息或文件做少许改动。这样，攻击者必须找出具有特定Hash值的伪造文件，这非常困难。

2.散列函数的安全性

（1）通过对于生日攻击的了解，散列函数的安全性是有待提高的。生日攻击并没有利用任何HASH函数的性质，是对任何HASH都适用的普适的攻击方法，应对方法也很简单，增加HASH的长度，但是很难完成。

（2）以为相对于安全的MD5和SHA-1算法，在相继公布被实现碰撞之后，可以预见，之后的算法发现碰撞只是实现计算机更好性能的时间长短而已。

    有两种方法可以攻击安全散列函数：密码分析法和暴力攻击法。散列函数抵抗暴力攻击的强度完全依赖于算法生成的散列码长度。

2004年8月中国密码学家王小云教授等首次公布了提出一种寻找MD5碰撞的新方法。目前利用该方法用普通微机几分钟内即可找到MD5的碰撞。MD5已经被彻底攻破。

在2017年，Google公司宣布实现了对SHA-1算法的攻击。SHA-1算法宣告攻破。不过需要注意的是，这次SHA-1算法破解的计算量相当于单个CPU计算6500年和单个GPU计算110年，因此就目前的PC硬件来看，依靠一台电脑完成破解是不现实的。然而密码学家认为，如果利用云计算技术来破解的话，这件事情将简单很多，可能只需要17万美元的预算即可完成，因此尽快改用安全性更高的SHA-2或SHA-3算法才是正确的做法。

3、目前安全散列函数的发展

2005年MD5的攻破似乎宣告了SHA或许为仅存的安全散列算法。

SHA-0：SHA由美国标准与技术研究所（NIST）设计并于1993年发表，该版本称为SHA-0，由于很快被发现存在安全隐患，

SHA-1：1995年发布了SHA-1。

SHA-2：2002年，NIST分别发布了SHA-256、SHA-384、SHA-512，这些算法统称SHA-2。2008年又新增了SHA-224。

由于2017年SHA-1算法的攻破，目前已经有多家科技企业宣布逐步放弃SHA-1算法，微软已经确定会放弃在Edge以及IE浏览器上继续使用SHA-1算法的TLS证书，Google的Chrome在56版之后也会提示SHA-1加密的HTTPS网页并不安全，Mozilla则确定在今年7月开始停止SHA-1的支持。目前SHA-2各版本已成为主流。

SHA算法各个版本参数比较：

 

三、 结合md5算法中的选择前缀碰撞以及第二个链接中的helloworld.exe和goodbyworld.exe两个可执行文件的md5消息摘要值和两个文件的执行结果说明md5算法来验证软件完整性时可能出现的问题。

1.MD5即Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法5），用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。将数据（如汉字）运算为另一固定长度值，是杂凑算法的基础原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。

MD5算法的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被"压缩"成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的十六进制数字串）。除了MD5以外，其中比较有名的还有sha-1、RIPEMD以及Haval等。

几位密码学家使用 “构造前缀碰撞法”（chosen-prefix collisions）来进行攻击（是王小云所使用的攻击方法的改进版本），他们所使用的计算机是一台Sony PS3，且仅用了不到两天。如果仅仅是想要生成MD5 相同而内容不同的文件的话，在任何主流配置的电脑上用几秒钟就可以完成。

他们的结论：MD5 算法不应再被用于任何软件完整性检查或代码签名的用途。

2.MD5算法具有以下特点：

（1）压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的。

（2）容易计算：从原数据计算出MD5值很容易。

（3）抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。

（4）强抗碰撞：已知原数据和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据（即伪造数据）是非常困难的。

3.验证软件完整性时可能出现的问题：

(1）两个不同的程序，MD5可能是相同的。可以利用MD5的这个漏洞来伪造数字签名。

（2）不能通过校验MD5知道软件是否被侵入。是否曾被恶意植入病毒或木马。

（3）易被攻破而使安全性大大下降。如果有第三方在验证软件完整性时截取软件代码，使用快速MD5碰撞生成器，在短时间内伪造一份相同的MD5，并恶意篡改软件，那么安全性将会大大下降。

（4）感染病毒，传输故障