2016012075 谢月月 散列函数的应用及其安全性
散列函數(shù)的應用及其安全性
一、散列函數(shù)的應用
1、消息認證：?????? （1）、消息認證的定義：消息認證是用來驗證消息完整性的一項機制或服務。消息認證確保收到的數(shù)據(jù)確實和發(fā)送時的一樣（即沒有修改、插入、刪除和重放）。此外，通常還要求消息認證機制確保發(fā)送方聲稱的消息是有效的。當Hash函數(shù)用于提供消息認證功能時，Hash函數(shù)值通常稱為消息摘要。
????? （2）、消息認證中使用Hash函數(shù)的本質(zhì)：發(fā)送者根據(jù)待發(fā)送的消息使用該函數(shù)計算一組Hash值，然后將Hash值和消息一起發(fā)送過去。接收方收到消息后對于消息執(zhí)行同樣的Hash計算，并將結果與收到的Hash值進行比對。如果比對不匹配，則接收者推斷出消息（當然也可能是Hash值）遭受了篡改。
???? （3）Hash碼用于消息認證的方式（如下圖所示）：
????? (a)、使用對稱密碼算法加密信息和Hash碼。因為只有A和B共享密鑰，所以消息必然發(fā)自A處。
?? ?? (b)、使用對稱密碼算法只對Hash碼進行加密。對于無需保存性的應用，這種方法減少了加解密操作的負擔。
????? (c)、不使用加密算法，僅使用Hash函數(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)消息認證。該方案假設通信雙方共享相同的消息值S。發(fā)送方A將消息M和秘密值S串聯(lián)后計算其Hash值，并將得到的Hash值附在消息M后發(fā)送。因為接收方B同時掌握S，所以能夠計算改Hash值進行驗證。
????? (d)、通過將整個消息和Hash值加密，能夠在方案(c)的基礎上提供保密性。
?
?2、數(shù)字簽名：
????? （1）、數(shù)字簽名的定義：數(shù)字簽名的操作與MAC相似，在進行數(shù)字簽名的過程中使用用戶的私鑰加密消息的Hash值，其他任何知道該用戶公鑰的人都能夠通過數(shù)字簽名來驗證消息的完整性。在這種情況下，攻擊者要想篡改消息，則需要知道用戶的私鑰。
?????? （2）、數(shù)字簽名的方案（如下圖所示）：
??????? (a)、使用發(fā)送方的私鑰，利用公鑰密碼算法僅對Hash碼進行加密。與圖(b）一樣，這種方法可提供認證；由于只有發(fā)送方可以產(chǎn)生加密后的Hash碼，所以這種方法也提供了數(shù)字簽名，事實上，這就是數(shù)字簽名技術的本質(zhì)所在。
??????? (b)、若即希望保證保密性又希望有數(shù)字簽名，則先用發(fā)送方的私鑰對Hash碼加密，再用對稱密碼中的密鑰對消息和公鑰算法加密的結果進行加密，這種技術比較常用。
3、其他應用：
????? （1）、用于產(chǎn)生單向口令文件。
????? （2）、Hash函數(shù)能用于入侵檢測和病毒檢測。將每個文件的Hash值H(F)存儲在安全系統(tǒng)中（CD-R中），隨后就能夠通過重新計算H(F)來判斷文件是否被修改過。入侵者只能夠改變F，而不能夠改變H(F)。
????? （3）、密碼學Hash函數(shù)能夠用于構建隨機函數(shù)（PRF）或用做偽隨機數(shù)發(fā)生器（PRNG）。
二、散列函數(shù)的安全性以及目前安全散列函數(shù)的發(fā)展
1、散列函數(shù)的安全性：
（1）、生日攻擊：
?????? 舉例： A對一個合同文件進行簽名，然后把合同文件和簽名一起發(fā)送給接收方。攻擊者B想要偽造假的合同文件發(fā)給接收方。B先準備2^m/2個有效合同文件（集合X），每個文件包含與原合同文件相同的意思。B再準備2^m/2個偽造合同文件（集合Y），每個文件也都是希望的偽造合同的意思。然后比較集合X和Y，找到Hash值相同的兩個文件，分別是有效合同和偽造合同B成功的概率會大于0.5，如果沒有找到匹配的文件，就準備更多的有效文件和偽造文件，直到找到一對匹配的文件。
?????? 防范方法：①、使用安全的Hash算法:安全的Hash算法產(chǎn)生成的Hash值足夠多的位數(shù)。這樣攻擊者尋找相同Hash值得文件就非常困難。②、加鹽：在為文件簽名之前，先向文件添加一個隨機值，然后計算Hash值，再將文件、簽名和隨機值一起發(fā)送給接收方。③、改動文件：在為文件簽名之前，對消息或文件做少許改動。
（2）、MD5安全性：
??????? 用于確保信息傳輸完整一致。將數(shù)據(jù)運算為另一固定長度值，是湊雜算法的基礎原理。從2004年利用MD5的碰撞的方法就能將MD5攻破開始，MD5就已經(jīng)不安全。MD5攻擊方法有①通過暴力破解②網(wǎng)上有MD5對應的數(shù)據(jù)庫，比較簡單的密碼都可以從數(shù)據(jù)庫中找到。
（3）、SHA-1的安全性：
?????? 2005年，Rijmen和Oswald發(fā)表了對SHA-1較弱版的攻擊，2005年2月，王小云、殷益群以及于洪波發(fā)表了對完整版SHA-1的攻擊，在2017年Google公司宣布實現(xiàn)了對SHA-1算法的攻擊，SHA-1徹底被攻破。
（4）、散列函數(shù)的安全性：
?????? ①、散列函數(shù)的攻擊方法有：窮舉攻擊和密碼分析法
?????? ②、散列函數(shù)的安全需求：a、輸入長度可變，H可應用于任意大小的數(shù)據(jù)塊；b、輸出長度固定，H產(chǎn)生定長的攻擊；c、效率，對任意給定的x，計算H（x）比較容易，用硬件和軟件均可實現(xiàn)；d、抗原像攻擊（單向性），對任意給定的Hash碼h，找到滿足H（y）=h的y在計算上是不可行的。e、抗第二原像攻擊（抗弱碰撞性），對任意給定分塊x，找到滿足y≠x,且H(x)=H(y)的y在計算上是不可行的；f、抗碰撞攻擊（抗強碰撞性），找到任何滿足H(x)=H(y)的偶對(x,y)在計算上是不可行的。g、偽隨機性，H的書櫥滿足偽隨機性測試標準。
（5）安全散列函數(shù)的發(fā)展：
?????? ①、SHA由美國標準與技術研究所（NIST）設計，并于1993年作為聯(lián)邦信息處理標準（FIPS 180）發(fā)布;
?????? ②、隨后該版本的SHA-0被發(fā)現(xiàn)存在缺陷，修訂版于1995年發(fā)布（FIPS 180-1），通常稱為SHA-1;
?????? ③、2002年，NIST發(fā)布了修訂版FIPS 180-2,其中給出了三種新的SHA版本，Hash值長度依次為256位、384位和512位，分別稱為SHA-256、SHA-384和SHA-512。這些統(tǒng)稱為SHA-2;
?????? ④、在2008年發(fā)布的修訂版FIP PUB 180-3中，增加了224位版本。
三、MD5算法來驗證軟件完整性出現(xiàn)的問題
????? 1、不同的兩個程序有可能有相同的MD5；
????? 2、不能通過校驗MD5來判斷軟件是否被入侵或者中病毒等；
???? 3、無法確定文件的來源可靠性；
???? 4、當MD5驗證時間較長時，會增加安全風險，被攻擊的幾率會大大增加。
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總結
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