2016011998 张舒凯 散列函数的应用及其安全性

 

 

1.散列函数的具体应用

 

   (1)消息认证：散列函数用于消息认证---消息认证是用来验证消息完整性的一种机制和服务，函数值称为消息摘要，确保收到的数据和发送时的一样（即没有修改、插入、删除或重放），发送者根据待发送的消息使用散列函数f计算一组散列值，再把散列函数值和消息发送出去；接受者收到后统一进行计算，并进行比对，具体方法：

 

      1.使用对称密码算法加密消息和散列码；

 

      2.使用对称密码算法只对散列码进行加密；

 

      3.不使用加密算法，仅使用散列函数；

 

      4.将整个消息和散列值加密。

 

   (2)数字签名：散列函数用于数字签名，进行数字签名时使用用户的私钥加密消息的散列函数的计算值，这种方法应用更加广泛，常见方法：

 

      a.使用发送方的私钥利用公钥密码算法对散列码进行加密；

 

      b.先用发送方的私钥加密散列码，再用对称密码中的密钥对消息和公钥算法加密结果进行加密。

 

  (3)散列函数可以用来产生单向口令文件

 

  (4)散列函数可以用来检测入侵和病毒，通过将每个文件的散列值记录并计算验证是否被修改

 

  (5)散列函数可以用来构建随机函数（PRF）或用于伪随机数发生器（PRNG）

 

 

(6)散列函数可以用于鉴权协议。

 

2.结合生日攻击以及2004、2005年王晓云教授有关MD5安全性和2017年Google公司SHA-1的安全性，说明散列函数的安全性以及目前安全散列函数的发展

 

(1) 生日攻击是一种通过 “生日悖论”模型来分析散列碰撞的安全性的方法。其基本原理为假定散列函数H有种可能输出（即输出为位），H作用于k个随机输入，则时至少有一个重复出现，发生碰撞现象。这种方法对散列函数的安全性提出了极大的挑战。

 

(2) MD5安全性：Message Digest Algorithm MD5（中文名为消息摘要算法第五版）为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。然而，在2004年、2005年，王晓云教授提出的一种新方法已经成功攻破MD5，使用该方法只需要2^39次尝试就可以构造出一个MD5碰撞，因此，只需要一台普通的计算机在很短时间内就能破解MD5加密后的消息。

 

(3) SHA-1的安全性：近年来，安全散列函数（SHA）是使用最广泛的散列函数。然而在2017年已经被攻破，2002年，NIST发布了修订版FIPS 180-2，散列值长度依次为256、384和512位，即SHA-2算法。

 

(4)散列函数的安全性：其安全性由散列码长度决定，散列函数抵抗暴力攻击的强度完全依赖于算法生成的散列码长度。王晓云教授的碰撞算法提供了一种加速构造碰撞来破解MD5算法的方法，除此之外还有长度拓展攻击，暴力攻击，密码分析方法

 

 

(5)安全散列函数的发展：尽管散列函数方法比较优秀，但也不是万能的。常见的单向散列函数有MD和SHA两类。HAVAL为MD系列最新的版本，SHA-1在1995年出现，但目前已经被攻破，因此更加安全，但由于经济原因，应用SHA-1算法加密的https页面虽然并不安全，但无法立刻被SHA-2取代。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 3.结合MD5中的选择前缀碰撞及链接中的helloworld.exe和goodbyworld.exe两个可执行文件的MD5消息摘要值和两个文件的执行结果说明MD5算法来验证软件完整性时可能出现的问题：

 

（1）MD5算法：它的全称是message-digest algorithm 5（信息-摘要算法），经MD2、MD3和MD4发展而来。它的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密匙前被"压缩"成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的大整数）。

（2）MD5算法的选择前缀碰撞：如果两个文件存在任何碰撞（冲突）的地方，发生前缀碰撞后，这两个文件完全相同，即得到相同的MD5。第二个链接中的helloworld.exe和goodbyworld.exe两个可执行文件的MD5消息摘要值相同，即文件内容不同，但是MD5相同，这说明MD5算法存在着不安全性。正如第二问中谈到，利用王晓云教授的方法，MD5算法已经被彻底攻破。

 

（3）MD5算法来验证软件完整性时可能出现的问题：

 

<1>无法保证文件的来源可靠性，即不能确认接收方接收到的文件与发送方

 

的发出文件一致；

 

<2>无法保证文件的完整性和正确性，即文件可能被篡改或损坏；

 

<3>当验证效率较低时，会出现验证时间过长，给中间攻击者的攻击行为提供足够的攻击时间而增加安全风险。