0 added
0 removed
Original
2026-01-01
Modified
2026-03-10
1
<p>Криптографические хэш-функции распространены очень широко. Они используются для хранения паролей при аутентификации, для защиты данных в системах проверки файлов, для обнаружения вредоносного программного обеспечения, для кодирования информации в блокчейне (блок - основной примитив, обрабатываемый Биткойном и Эфириумом). В этой статье пойдет разговор об алгоритмах хеширования: что это, какие типы бывают, какими свойствами обладают.</p>
1
<p>Криптографические хэш-функции распространены очень широко. Они используются для хранения паролей при аутентификации, для защиты данных в системах проверки файлов, для обнаружения вредоносного программного обеспечения, для кодирования информации в блокчейне (блок - основной примитив, обрабатываемый Биткойном и Эфириумом). В этой статье пойдет разговор об алгоритмах хеширования: что это, какие типы бывают, какими свойствами обладают.</p>
2
<p>В наши дни существует много криптографических алгоритмов. Они бывают разные и отличаются по сложности, разрядности, криптографической надежности, особенностям работы. Алгоритмы хеширования - идея не новая. Они появилась более полувека назад, причем за много лет с принципиальной точки зрения мало что изменилось. Но в результате своего развития<strong>хеширование данных</strong>приобрело много новых свойств, поэтому его применение в сфере информационных технологий стало уже повсеместным.</p>
2
<p>В наши дни существует много криптографических алгоритмов. Они бывают разные и отличаются по сложности, разрядности, криптографической надежности, особенностям работы. Алгоритмы хеширования - идея не новая. Они появилась более полувека назад, причем за много лет с принципиальной точки зрения мало что изменилось. Но в результате своего развития<strong>хеширование данных</strong>приобрело много новых свойств, поэтому его применение в сфере информационных технологий стало уже повсеместным.</p>
3
<h2>Что такое хеш (хэш, hash)?</h2>
3
<h2>Что такое хеш (хэш, hash)?</h2>
4
<p>Хеш или хэш - это криптографическая функция хеширования (function), которую обычно называют просто хэшем. Хеш-функция представляет собой математический алгоритм, который может<strong>преобразовать произвольный массив данных в строку фиксированной длины</strong>, состоящую из цифр и букв.</p>
4
<p>Хеш или хэш - это криптографическая функция хеширования (function), которую обычно называют просто хэшем. Хеш-функция представляет собой математический алгоритм, который может<strong>преобразовать произвольный массив данных в строку фиксированной длины</strong>, состоящую из цифр и букв.</p>
5
<p>Основная идея используемых в данном случае функций - применение<strong>детерминированного алгоритма</strong>. Речь идет об алгоритмическом процессе, выдающем уникальный и предопределенный результат при получении входных данных. То есть при приеме одних и тех же входных данных будет создаваться та же самая строка фиксированной длины (использование одинакового ввода каждый раз приводит к одинаковому результату). Детерминизм - важное свойство этого алгоритма.<strong>И если во входных данных изменить хотя бы один символ, будет создан совершенно другой хэш</strong>.</p>
5
<p>Основная идея используемых в данном случае функций - применение<strong>детерминированного алгоритма</strong>. Речь идет об алгоритмическом процессе, выдающем уникальный и предопределенный результат при получении входных данных. То есть при приеме одних и тех же входных данных будет создаваться та же самая строка фиксированной длины (использование одинакового ввода каждый раз приводит к одинаковому результату). Детерминизм - важное свойство этого алгоритма.<strong>И если во входных данных изменить хотя бы один символ, будет создан совершенно другой хэш</strong>.</p>
6
<p>Убедиться в этом можно на любом<a>онлайн-генераторе</a>. Набрав слово "Otus" и воспользовавшись алгоритмом<strong>sha1</strong>(Secure Hashing Algorithm), мы получим хеш<strong>7576750f9d76fab50762b5987739c18d99d2aff7</strong>. При изменении любой буквы изменится и результат, причем изменится полностью. Мало того, если просто поменять регистр хотя бы одной буквы, итог тоже будет совершенно иным: если написать "otus", алгоритм хэш-функции отработает со следующим результатом:<strong>1bbd70dc1b6fc84e5617ca8703c72c744b3b4fc1</strong>. Хотя общие моменты все же есть: строка<strong>всегда</strong>состоит из сорока символов.</p>
6
<p>Убедиться в этом можно на любом<a>онлайн-генераторе</a>. Набрав слово "Otus" и воспользовавшись алгоритмом<strong>sha1</strong>(Secure Hashing Algorithm), мы получим хеш<strong>7576750f9d76fab50762b5987739c18d99d2aff7</strong>. При изменении любой буквы изменится и результат, причем изменится полностью. Мало того, если просто поменять регистр хотя бы одной буквы, итог тоже будет совершенно иным: если написать "otus", алгоритм хэш-функции отработает со следующим результатом:<strong>1bbd70dc1b6fc84e5617ca8703c72c744b3b4fc1</strong>. Хотя общие моменты все же есть: строка<strong>всегда</strong>состоит из сорока символов.</p>
7
<p>В предыдущем примере речь шла о применении хэш-алгоритма для слова из 4 букв. Но с тем же успехом можно вставить слово из 1000 букв - все равно после обработки данных на выходе получится значение из 40 символов. Аналогичная ситуация будет и при обработке полного собрания сочинений Льва Толстого.</p>
7
<p>В предыдущем примере речь шла о применении хэш-алгоритма для слова из 4 букв. Но с тем же успехом можно вставить слово из 1000 букв - все равно после обработки данных на выходе получится значение из 40 символов. Аналогичная ситуация будет и при обработке полного собрания сочинений Льва Толстого.</p>
8
<h2>Криптостойкость функций хеширования</h2>
8
<h2>Криптостойкость функций хеширования</h2>
9
<p>Говоря о криптостойкости, предполагают выполнение ряда требований. То есть хороший алгоритм обладает несколькими свойствами: - при изменении одного бита во входных данных, должно наблюдаться изменение всего хэша; - алгоритм должен быть устойчив к коллизиям; - алгоритм должен быть устойчив к восстановлению хешируемых данных, то есть должна обеспечиваться высокая сложность нахождения прообраза, а вычисление хэша не должно быть простым.</p>
9
<p>Говоря о криптостойкости, предполагают выполнение ряда требований. То есть хороший алгоритм обладает несколькими свойствами: - при изменении одного бита во входных данных, должно наблюдаться изменение всего хэша; - алгоритм должен быть устойчив к коллизиям; - алгоритм должен быть устойчив к восстановлению хешируемых данных, то есть должна обеспечиваться высокая сложность нахождения прообраза, а вычисление хэша не должно быть простым.</p>
10
<h2>Проблемы хэшей</h2>
10
<h2>Проблемы хэшей</h2>
11
<p>Одна из проблем криптографических функций хеширования -<strong>неизбежность коллизий</strong>. Раз речь идет о строке фиксированной длины, значит, существует вероятность, что<strong>для каждого ввода возможно наличие и других входов, способных привести к тому же самому хешу</strong>. В результате хакер может создать коллизию, позволяющую передать вредоносные данные под видом правильного хэша.</p>
11
<p>Одна из проблем криптографических функций хеширования -<strong>неизбежность коллизий</strong>. Раз речь идет о строке фиксированной длины, значит, существует вероятность, что<strong>для каждого ввода возможно наличие и других входов, способных привести к тому же самому хешу</strong>. В результате хакер может создать коллизию, позволяющую передать вредоносные данные под видом правильного хэша.</p>
12
<p>Цель хороших криптографических функций - максимально усложнить вероятность нахождения способов генерации входных данных, хешируемых с одинаковым значением. Как уже было сказано ранее, вычисление хэша не должно быть простым, а сам алгоритм должен быть устойчив к "атакам нахождения прообраза". Необходимо, чтобы на практике было чрезвычайно сложно (а лучше - невозможно) вычислить обратные детерминированные шаги, которые предприняты для воспроизведения созданного хешем значения.</p>
12
<p>Цель хороших криптографических функций - максимально усложнить вероятность нахождения способов генерации входных данных, хешируемых с одинаковым значением. Как уже было сказано ранее, вычисление хэша не должно быть простым, а сам алгоритм должен быть устойчив к "атакам нахождения прообраза". Необходимо, чтобы на практике было чрезвычайно сложно (а лучше - невозможно) вычислить обратные детерминированные шаги, которые предприняты для воспроизведения созданного хешем значения.</p>
13
<p>Если<strong>S = hash (x)</strong>, то, в идеале, нахождение<em>x</em>должно быть практически невозможным.</p>
13
<p>Если<strong>S = hash (x)</strong>, то, в идеале, нахождение<em>x</em>должно быть практически невозможным.</p>
14
<h2>Алгоритм MD5 и его подверженность взлому</h2>
14
<h2>Алгоритм MD5 и его подверженность взлому</h2>
15
<p>MD5 hash - один из первых стандартов алгоритма, который применялся в целях проверки целостности файлов (контрольных сумм). Также с его помощью хранили пароли в базах данных web-приложений. Функциональность относительно проста - алгоритм выводит для каждого ввода данных фиксированную 128-битную строку, задействуя для вычисления детерминированного результата однонаправленные тривиальные операции в нескольких раундах. Особенность - простота операций и короткая выходная длина, в результате чего MD5 является относительно легким для взлома. А еще он обладает низкой степенью защиты к атаке типа "дня рождения".</p>
15
<p>MD5 hash - один из первых стандартов алгоритма, который применялся в целях проверки целостности файлов (контрольных сумм). Также с его помощью хранили пароли в базах данных web-приложений. Функциональность относительно проста - алгоритм выводит для каждого ввода данных фиксированную 128-битную строку, задействуя для вычисления детерминированного результата однонаправленные тривиальные операции в нескольких раундах. Особенность - простота операций и короткая выходная длина, в результате чего MD5 является относительно легким для взлома. А еще он обладает низкой степенью защиты к атаке типа "дня рождения".</p>
16
<h3>Атака дня рождения</h3>
16
<h3>Атака дня рождения</h3>
17
<p>Если поместить 23 человека в одну комнату, можно дать 50%-ную вероятность того, что у двух человек день рождения будет в один и тот же день. Если же количество людей довести до 70-ти, вероятность совпадения по дню рождения приблизится к 99,9 %. Есть и другая интерпретация: если голубям дать возможность сесть в коробки, при условии, что число коробок меньше числа голубей, окажется, что хотя бы в одной из коробок находится более одного голубя.</p>
17
<p>Если поместить 23 человека в одну комнату, можно дать 50%-ную вероятность того, что у двух человек день рождения будет в один и тот же день. Если же количество людей довести до 70-ти, вероятность совпадения по дню рождения приблизится к 99,9 %. Есть и другая интерпретация: если голубям дать возможность сесть в коробки, при условии, что число коробок меньше числа голубей, окажется, что хотя бы в одной из коробок находится более одного голубя.</p>
18
<p><strong>Вывод прост</strong>: если есть фиксированные ограничения на выход, значит, есть и фиксированная степень перестановок, на которых существует возможность обнаружить коллизию.</p>
18
<p><strong>Вывод прост</strong>: если есть фиксированные ограничения на выход, значит, есть и фиксированная степень перестановок, на которых существует возможность обнаружить коллизию.</p>
19
<p>Когда разговор идет о сопротивлении коллизиям, то алгоритм MD5 действительно очень слаб. Настолько слаб, что даже бытовой Pentium 2,4 ГГц сможет вычислить искусственные хеш-коллизии, затратив на это чуть более нескольких секунд. Всё это в ранние годы стало причиной утечки большого количества предварительных MD5-прообразов.</p>
19
<p>Когда разговор идет о сопротивлении коллизиям, то алгоритм MD5 действительно очень слаб. Настолько слаб, что даже бытовой Pentium 2,4 ГГц сможет вычислить искусственные хеш-коллизии, затратив на это чуть более нескольких секунд. Всё это в ранние годы стало причиной утечки большого количества предварительных MD5-прообразов.</p>
20
<h2>SHA1, SHA2, SHA3</h2>
20
<h2>SHA1, SHA2, SHA3</h2>
21
<p>Secure Hashing Algorithm (SHA1) - алгоритм, созданный Агентством национальной безопасности (NSA). Он создает 160-битные выходные данные фиксированной длины. На деле SHA1 лишь улучшил MD5 и увеличил длину вывода, а также увеличил число однонаправленных операций и их сложность. Однако каких-нибудь фундаментальных улучшений не произошло, особенно когда разговор шел о противодействии более мощным вычислительным машинам. Со временем появилась альтернатива - SHA2, а потом и<strong>SHA3</strong>. Последний алгоритм уже принципиально отличается по архитектуре и является частью большой схемы алгоритмов хеширования (известен как KECCAK - "Кетч-Ак"). Несмотря на схожесть названия, SHA3 имеет другой внутренний механизм, в котором используются случайные перестановки при обработке данных - "Впитывание" и "Выжимание" (конструкция "губки").</p>
21
<p>Secure Hashing Algorithm (SHA1) - алгоритм, созданный Агентством национальной безопасности (NSA). Он создает 160-битные выходные данные фиксированной длины. На деле SHA1 лишь улучшил MD5 и увеличил длину вывода, а также увеличил число однонаправленных операций и их сложность. Однако каких-нибудь фундаментальных улучшений не произошло, особенно когда разговор шел о противодействии более мощным вычислительным машинам. Со временем появилась альтернатива - SHA2, а потом и<strong>SHA3</strong>. Последний алгоритм уже принципиально отличается по архитектуре и является частью большой схемы алгоритмов хеширования (известен как KECCAK - "Кетч-Ак"). Несмотря на схожесть названия, SHA3 имеет другой внутренний механизм, в котором используются случайные перестановки при обработке данных - "Впитывание" и "Выжимание" (конструкция "губки").</p>
22
<h2>Что в будущем?</h2>
22
<h2>Что в будущем?</h2>
23
<p>Вне зависимости от того, какие технологии шифрования и криптографические новинки будут использоваться в этом направлении, все сводится к решению одной из двух задач: 1) увеличению сложности внутренних операций хэширования; 2) увеличению длины hash-выхода данных с расчетом на то, что вычислительные мощности атакующих не смогут эффективно вычислять коллизию.</p>
23
<p>Вне зависимости от того, какие технологии шифрования и криптографические новинки будут использоваться в этом направлении, все сводится к решению одной из двух задач: 1) увеличению сложности внутренних операций хэширования; 2) увеличению длины hash-выхода данных с расчетом на то, что вычислительные мощности атакующих не смогут эффективно вычислять коллизию.</p>
24
<p>И, несмотря на появление в будущем квантовых компьютеров, специалисты уверены, что правильные инструменты (то же хэширование) способны выдержать испытания временем, ведь ни что не стоит на месте. Дело в том, что с увеличением вычислительных мощностей снижается математическая формализация структуры внутренних алгоритмических хэш-конструкций. А квантовые вычисления наиболее эффективны лишь в отношении к вещам, имеющим строгую математическую структуру.</p>
24
<p>И, несмотря на появление в будущем квантовых компьютеров, специалисты уверены, что правильные инструменты (то же хэширование) способны выдержать испытания временем, ведь ни что не стоит на месте. Дело в том, что с увеличением вычислительных мощностей снижается математическая формализация структуры внутренних алгоритмических хэш-конструкций. А квантовые вычисления наиболее эффективны лишь в отношении к вещам, имеющим строгую математическую структуру.</p>
25
<p><em>Источники: • https://vc.ru/crypto/47132-algoritmy-heshirovaniya-prostoe-obyasnenie-slozhnogo; • https://www.kaspersky.ru/blog/the-wonders-of-hashing/3633/.</em></p>
25
<p><em>Источники: • https://vc.ru/crypto/47132-algoritmy-heshirovaniya-prostoe-obyasnenie-slozhnogo; • https://www.kaspersky.ru/blog/the-wonders-of-hashing/3633/.</em></p>
26
26