一文搞懂單向雜湊加密：MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-3

碼農StayUp發表於2021-09-29
加密
微信搜尋：碼農StayUp
主頁地址：https://gozhuyinglong.github.io
原始碼分享：https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos

1. 定義

單向雜湊函式（one-way hash function）是指對不同的輸入值，通過單向雜湊函式進行計算，得到固定長度的輸出值。這個輸入值稱為訊息（message），輸出值稱為雜湊值（hash value）。

單向雜湊函式

單向雜湊函式也被稱為訊息摘要函式（message digest function）、雜湊函式或者雜湊函式。輸入的訊息也稱為原像（pre-image）。輸出的雜湊值也稱為訊息摘要（message digest）或者指紋（fingerprint），相當於該訊息的身份證。

單向雜湊函式有多種實現演算法，常見的有：MD5、SHA-1、SHA-2和 SHA-3。

2. 特性

通過上面的定義，我們對單向雜湊函式的瞭解還是模糊的。下面介紹單向雜湊函式的特性，加深一下印象。

2.1 雜湊值長度固定

無論訊息的長度有多少，使用同一演算法計算出的雜湊值長度總是固定的。比如 MD5 演算法，無論輸入多少，產生的雜湊值長度總是 128 位元（16位元組）。

然而位元是計算機能夠識別的單位，而我們人類更習慣於使用十六進位制字串來表示（一個位元組佔用兩位十六進位制字元）。

雜湊值長度固定

2.2 訊息不同其雜湊值也不同

使用相同的訊息，產生的雜湊值一定相同。

使用不同的訊息，產生的雜湊值也不相同。哪怕只有一個位元的差別，得到的雜湊值也會有很大區別。

這一特性也叫做抗碰撞性，對於抗碰撞性弱的演算法，我們不應該使用。

訊息不同其雜湊值也不同

2.3 具備單向性

只能通過訊息計算出雜湊值，無法通過雜湊值反算出訊息。

具備單向性

2.4 計算速度快

計算雜湊值的速度快。儘管訊息越長，計算雜湊值的時間也越長，但也會在短時間內完成。

3. 常見演算法

MD5 與 SHA-1 演算法已被攻破，不應該被用於新的用途；SHA-2 與 SHA-3 還是安全的，可以使用。

SHA-2包括：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

SHA-3包括：SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512。

演算法名稱雜湊值長度是否安全
MD5128不安全
SHA-1160不安全
SHA-224224安全
SHA-256256安全
SHA-384384安全
SHA-512512安全
SHA-512/224224安全
SHA-512/256256安全
SHA3-224224安全
SHA3-256256安全
SHA3-384384安全
SHA3-512512安全

4. 應用場景

單向雜湊函式並不能確保資訊的機密性，它是一種保證資訊完整性的密碼技術。下面來看它的應用場景。

4.1 使用者密碼保護

使用者在設定密碼時，不記錄密碼本身，只記錄密碼的雜湊值，只有使用者自己知道密碼的明文。校驗密碼時，只要輸入的密碼正確，得到的雜湊值一定是一樣的，表示校驗正確。

為了防止彩虹表破解，還可以為密碼進行加鹽處理，只要驗證密碼時，使用相同的鹽即可完成校驗。

使用者密碼保護

使用雜湊值儲存密碼的好處是：即使資料庫被盜，也無法將密文反推出明文是什麼，使密碼儲存更安全。

4.2 介面驗籤

為了保證介面的安全，可以採用簽名的方式傳送。

傳送者與接收者要有一個共享祕鑰。當傳送者向接收者傳送請求時，引數中附加上簽名（簽名由共享祕鑰 + 業務引數，進行單向雜湊函式加密生成）。接收者收到後，使用相同的方式生成簽名，再與收到的簽名進行比對，如果一致，驗籤成功。

這樣即可以驗證業務引數是否被篡改，又能驗明傳送者的身份。

介面驗籤

4.3 檔案完整性校驗

檔案被掛載到網站時，同時也附上其雜湊值和演算法，比如 Tomcat 官網。

Tomcat官網下載頁面

使用者下載後，計算其雜湊值，對比結果是否相同，從而校驗檔案的完整性。

4.4 雲盤秒傳

當我們將自己喜歡的視訊放到網盤上時，發現只用了幾秒的時間就上傳成功了，而這個檔案有幾個G大小，是怎麼做到的呢？

其實這個“秒傳”功能可以利用單向雜湊函式來實現。

當我們上傳一個檔案時，雲盤客戶端會先為該檔案生成一個雜湊值。拿著這個雜湊值去資料庫中匹配，如果匹配到，說明該檔案已經在雲伺服器存在。只需將該雜湊值與使用者進行關聯，便可完成本次“上傳”。

這樣，一個檔案在雲伺服器上只會存一份，大大節約了雲伺服器的空間。

雲盤秒傳

5. 程式碼實現

JDK的 java.security.MessageDigest 類為我們提供了訊息摘要演算法，用於 MD5和SHA的雜湊值生成。下面程式碼做了簡單的封裝，便於直接使用。

public class MDUtil {

    /**
     * MD5 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 32位十六進位制字串
     */
    public static String MD5(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * MD5 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 32位十六進位制字串
     */
    public static String MD5(String data) {
        return MD5(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-1 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 40位十六進位制字串
     */
    public static String SHA1(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-1 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 40位十六進位制字串
     */
    public static String SHA1(String data) {
        return SHA1(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-224 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 56位十六進位制字串
     */
    public static String SHA224(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-224");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-224 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 56位十六進位制字串
     */
    public static String SHA224(String data) {
        return SHA224(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-256 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 64位十六進位制字串
     */
    public static String SHA256(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-256 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 64位十六進位制字串
     */
    public static String SHA256(String data) {
        return SHA256(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-384 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 96位十六進位制字串
     */
    public static String SHA384(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-384");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-384 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 96位十六進位制字串
     */
    public static String SHA384(String data) {
        return SHA384(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-512 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 128位十六進位制字串
     */
    public static String SHA512(byte[] data) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-512");
            byte[] bytes = md.digest(data);
            return bytesToHexString(bytes);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }

    /**
     * SHA-512 加密
     *
     * @param data 要加密的資料
     * @return 128位十六進位制字串
     */
    public static String SHA512(String data) {
        return SHA512(data.getBytes());
    }

    /**
     * 將位元組陣列轉換為十六進位制字串
     *
     * @param bytes 位元組陣列
     * @return 十六進位制字串
     */
    private static String bytesToHexString(byte[] bytes) {
        StringBuilder hexValue = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            int val = b & 0xFF;
            if (val < 16) {
                hexValue.append("0");
            }
            hexValue.append(Integer.toHexString(val));
        }
        return hexValue.toString();
    }

}

下面分別使用這些演算法計算“123456”的雜湊值：

public static void main(String[] args) {
    System.out.println("MD5\t\t" + MDUtil.MD5("123456"));
    System.out.println("SHA-1\t" + MDUtil.SHA1("123456"));
    System.out.println("SHA-224\t" + MDUtil.SHA224("123456"));
    System.out.println("SHA-256\t" + MDUtil.SHA256("123456"));
    System.out.println("SHA-384\t" + MDUtil.SHA384("123456"));
    System.out.println("SHA-512\t" + MDUtil.SHA512("123456"));
}

輸出結果：

MD5      e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e
SHA-1    7c4a8d09ca3762af61e59520943dc26494f8941b
SHA-224  f8cdb04495ded47615258f9dc6a3f4707fd2405434fefc3cbf4ef4e6
SHA-256  8d969eef6ecad3c29a3a629280e686cf0c3f5d5a86aff3ca12020c923adc6c92
SHA-384  0a989ebc4a77b56a6e2bb7b19d995d185ce44090c13e2984b7ecc6d446d4b61ea9991b76a4c2f04b1b4d244841449454
SHA-512  ba3253876aed6bc22d4a6ff53d8406c6ad864195ed144ab5c87621b6c233b548baeae6956df346ec8c17f5ea10f35ee3cbc514797ed7ddd3145464e2a0bab413

我用的是Java8，還不支援 SHA-3，所以上面程式碼只封裝了MD5、SHA-1和SHA-2。

Java8支援的演算法

從Java9開始支援SHA-3

Java9支援的演算法

6. 完整程式碼

完整程式碼請訪問我的Github，若對你有幫助，歡迎給個Star，謝謝！

https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-source-analysis/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/utils/MDUtil.java

7. 推薦閱讀

相關文章