消息摘要算法

消息摘要是把任意长度的输入揉和而产生长度固定的伪随机输入的算法。消息摘要算法的主要特征是加密过程不需要密钥，并且经过加密的数据无法被解密，目前可以被解密逆向的只有CRC32算法，只有输入相同的明文数据经过相同的消息摘要算法才能得到相同的密文。消息摘要算法不存在密钥的管理与分发问题，适合于分布式网络上使用。数据摘要算法也被称为哈希（Hash）算法或散列算法。

特点

  • 无论输入的消息有多长，计算出来的消息摘要的长度总是固定的。例如应用MD5算法摘要的消息有128个比特位，用SHA-1算法摘要的消息最终有160比特位的输出，SHA-1的变体可以产生192比特位和256比特位的消息摘要。一般认为，摘要的最终输出越长，该摘要算法就越安全。
  • 消息摘要看起来是“随机的”。这些比特看上去是胡乱的杂凑在一起的。可以用大量的输入来检验其输出是否相同，一般，不同的输入会有不同的输出，而且输出的摘要消息可以通过随机性检验。但是，一个摘要并不是真正随机的，因为用相同的算法对相同的消息求两次摘要，其结果必然相同；而若是真正随机的，则无论如何都是无法重现的。因此消息摘要是“伪随机的”。
  • 一般地，只要输入的消息不同，对其进行摘要以后产生的摘要消息也必不相同；但相同的输入必会产生相同的输出。这正是好的消息摘要算法所具有的性质：输入改变了，输出也就改变了；两条相似的消息的摘要确不相近，甚至会大相径庭。
  • 消息摘要函数是无陷门的单向函数，即只能进行正向的信息摘要，而无法从摘要中恢复出任何的消息，甚至根本就找不到任何与原信息相关的信息。当然，可以采用强力攻击的方法，即尝试每一个可能的信息，计算其摘要，看看是否与已有的摘要相同，如果这样做，最终肯定会恢复出摘要的消息。但实际上，要得到的信息可能是无穷个消息之一，所以这种强力攻击几乎是无效的。
  • 好的摘要算法，没有人能从中找到“碰撞”，虽然“碰撞”是肯定存在的。即对于给定的一个摘要，不可能找到一条信息使其摘要正好是给定的。或者说，无法找到两条消息，使它们的摘要相同。

常见数据摘要算法

CRC8、CRC16、CRC32

CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）算法出现时间较长，应用也十分广泛，尤其是通讯领域，现在应用最多的就是 CRC32 算法，它产生一个4字节（32位）的校验值，一般是以8位十六进制数，如FA 12 CD 45等。CRC算法的优点在于简便、速度快，严格的来说，CRC更应该被称为数据校验算法，但其功能与数据摘要算法类似，因此也作为测试的可选算法。

在 WinRAR、WinZIP 等软件中，也是以 CRC32 作为文件校验算法的。一般常见的简单文件校验（Simple File Verify – SFV）也是以 CRC32算法为基础，它通过生成一个后缀名为 .SFV 的文本文件，这样可以任何时候可以将文件内容 CRC32运算的结果与 .SFV 文件中的值对比来确定此文件的完整性。

MD2 、MD4、MD5

这是应用非常广泛的一个算法家族，尤其是 MD5（Message-Digest Algorithm 5，消息摘要算法版本5），它由MD2、MD3、MD4发展而来，由Ron Rivest（RSA公司）在1992年提出，被广泛应用于数据完整性校验、数据（消息）摘要、数据加密等。MD2、MD4、MD5 都产生16字节（128位）的校验值，一般用32位十六进制数表示。MD2的算法较慢但相对安全，MD4速度很快，但安全性下降，MD5比MD4更安全、速度更快。

在互联网上进行大文件传输时，都要得用MD5算法产生一个与文件匹配的、存储MD5值的文本文件（后缀名为 .md5或.md5sum），这样接收者在接收到文件后，就可以利用与 SFV 类似的方法来检查文件完整性，绝大多数大型软件公司或开源组织都是以这种方式来校验数据完整性，而且部分操作系统也使用此算法来对用户密码进行加密，另外，它也是目前计算机犯罪中数据取证的最常用算法。

SHA1、SHA256、SHA384、SHA512

SHA（Secure Hash Algorithm）是由美国专门制定密码算法的标准机构—— 美国国家标准技术研究院（NIST）制定的，SHA系列算法的摘要长度分别为：SHA为20字节（160位）、SHA256为32字节（256位）、 SHA384为48字节（384位）、SHA512为64字节（512位），由于它产生的数据摘要的长度更长，因此更难以发生碰撞，因此也更为安全，它是未来数据摘要算法的发展方向。由于SHA系列算法的数据摘要长度较长，因此其运算速度与MD5相比，也相对较慢。
SHA1的应用较为广泛，主要应用于CA和数字证书中，另外在互联网中流行的BT软件中，也是使用SHA1来进行文件校验的。

RIPEMD、PANAMA、TIGER、ADLER32 等

RIPEMD是Hans Dobbertin等3人在对MD4，MD5缺陷分析基础上，于1996年提出来的，有4个标准128、160、256和320，其对应输出长度分别为16字节、20字节、32字节和40字节。IGER由Ross在1995年提出。Tiger号称是最快的Hash算法，专门为64位机器做了优化。

数据摘要算法的应用

一般地，把对一个信息的摘要称为该消息的指纹或数字签名。数字签名是保证信息的完整性和不可否认性的方法。数据的完整性是指信宿接收到的消息一定是信源发送的信息，而中间绝无任何更改；信息的不可否认性是指信源不能否认曾经发送过的信息。其实，通过数字签名还能实现对信源的身份识别（认证），即确定“信源”是否是信宿意定的通信伙伴。 数字签名应该具有唯一性，即不同的消息的签名是不一样的；同时还应具有不可伪造性，即不可能找到另一个消息，使其签名与已有的消息的签名一样；还应具有不可逆性，即无法根据签名还原被签名的消息的任何信息。这些特征恰恰都是消息摘要算法的特征，所以消息摘要算法适合作为数字签名算法。

数字签名

数字签名方案是一种以电子形式存储消息签名的方法。一个完整的数字签名方案应该由两部分组成：签名算法和验证算法。一般地说，任何一个公钥密码体制都可以单独地作为一种数字签名方案使用。

如RSA作为数字签名方案，这种签名实际上就是用信源的私钥加密消息，加密后的消息即成了签体；而用对应的公钥进行验证，若公钥解密后的消息与原来的消息相同，则消息是完整的，否则消息不完整。它正好和公钥密码用于消息保密是相反的过程。因为只有信源才拥有自己地私钥，别人无法重新加密源消息，所以即使有人截获且更改了源消息，也无法重新生成签体，因为只有用信源的私钥才能形成正确地签体。同样信宿只要验证用信源的公钥解密的消息是否与明文消息相同，就可以知道消息是否被更改过，而且可以认证消息是否是确实来自意定的信源，还可以使信源不能否认曾将发送的消息。所以这样可以完成数字签名的功能。

但这种方案过于单纯，它仅可以保证消息的完整性，而无法确保消息的保密性。而且这种方案要对所有的消息进行加密操作，这在消息的长度比较大时，效率使非常低的，主要原因在于公钥体制的加解密过程的低效性。所以这种方案一般不可取。

几乎所有的数字签名方案都要和快速高效的摘要算法（Hash函数）一起使用，当公钥算法与摘要算法结合起来使用时，便构成了一种有效地数字签名方案。

这个过程是：首先用摘要算法对消息进行摘要，然后在把摘要值用信源的私钥加密；接收方先把接收的明文用同样的摘要算法摘要，形成“准签体”，然后再把准签体与用信源的公钥解密出的“签体”进行比较，如果相同就认为消息是完整的，否则消息不完整。

这种方法使公钥加密只对消息摘要进行操作，因为一种摘要算法的摘要消息长度是固定的，而且都比较“短”（相对于消息而言），正好符合公钥加密的要求。这样效率得到了提高，而其安全性也并未因为使用摘要算法而减弱。

文章整理自：
添砖加瓦：几种常见的数据摘要算法（MD5、CRC32、SHA1和SHA256）
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