Question

什么是Hash函数？

Answer 1

首先介绍下Hash函数

Hash函数（也称散列函数或散列算法）的输入为任意长度的消息，而输出为某一固定长度的消息，即Hash函数是一种将任意长度的消息串M映射成为一个定长消息的函数，记为H。称h=H(M)为消息M的Hash值或消息摘要，有时也称为消息的指纹。通常Hash函数应用于数字签名、消息完整性检查等方面。
设H是一个Hash函数，x是任意长度的二元串，相应的消息摘要为y=H(x)，通常消息摘要是一个相对较短的二元串。假设我们已经计算出了y的值，那么如果有人改变了x的值为xˊ，则通过计算消息摘要yˊ=H(xˊ)，验证yˊ与y不相等就可以知道原来的消息x已被改变。
通常，Hash函数可以分为两类：不带密钥的Hash函数和带密钥的Hash函数。不带密钥的Hash函数只需要有一个消息输入；带密钥的Hash函数规定要有两个不同的输入，即一个消息和一个密钥。

Hash函数的目的是为指定的消息产生一个消息“指纹”，Hash函数通常具有以下这些性质：

• 压缩性。Hash函数将一个任意比特长度的输入x，映射成为固定长度为n的输出H(x)。
• 正向计算简单性。给定Hash函数H和任意的消息输入x，计算H(x)是简单的。
• 逆向计算困难性。对所有预先给定的输出值，找到一个消息输入使得它的Hash值等于这个输出，在计算上是不可行的。即对给定的任意值y，求使得H(x)=y的x在计算上是不可行的。这一性质也称为单向性。
• 弱无碰撞性。对于任何输入，找到一个与它有相同输出的第二个输入，在计算上是不可行的，即给定一个输入x，找到一个xˊ，使得H(x)= H(xˊ)成立在计算上是不可行的。
• 强无碰撞性。找出任意两个不同的输入x与xˊ，使得H(x)= H(xˊ)成立在计算上是不可行的。

攻击者可以对Hash函数发起两种攻击。第一种是找出一个xˊ，使得H(x)= H(xˊ)。例如，在一个使用Hash函数的签名方案中，假设s是签名者对消息x的一个有效签名，s=sig(H(x))。攻击者可能会寻找一个与x不同的消息xˊ，使得H(x)= H(xˊ)。如果找得到，则攻击者就可以伪造对消息xˊ的签名，这事因为s也是对消息xˊ的有效签名。Hash函数的弱无碰撞性可以抵抗这种攻击。
攻击者还可以发起另一种攻击，同样一个应用Hash函数的签名方案中，对手可能会寻找两个不同的消息x和xˊ，使得H(x)= H(xˊ)，然后说服签名者对消息x签名，得到s=sig(H(x))。由于s=sig(H(xˊ))，所以攻击者得到了一个对消息xˊ的有效签名。Hash函数的强无碰撞性可以抵抗这种攻击。
Hash函数的另一种常见的攻击方法是生日攻击，感兴趣的读者可以参阅参考文献中生日攻击的的相关资料。为防止生日攻击，通常的方法就是增加Hash值的比特长度，一般最小的可接受长度为128位。常见的Hash函数，如MD5和SHA分别具有128比特和160比特的消息摘要。