Вычисление хэш функции. Хэш — что это такое? Определение, значение, перевод

хеширования при решении задач на языке C++.

Процесс поиска данных в больших объемах информации сопряжен с временными затратами, которые обусловлены необходимостью просмотра и сравнения с ключом поиска значительного числа элементов. Сокращение поиска возможно осуществить путем локализации области просмотра. Например, отсортировать данные по ключу поиска, разбить на непересекающиеся блоки по некоторому групповому признаку или поставить в соответствие реальным данным некий код, который упростит процедуру поиска.

В настоящее время используется широко распространенный метод обеспечения быстрого доступа к информации, хранящейся во внешней памяти – хеширование .

Хеширование (или хэширование , англ. hashing ) – это преобразование входного массива данных определенного типа и произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свертки , а их результаты называют хешем, хеш-кодом, хеш-таблицей или дайджестом сообщения (англ. message digest ).

Хеш-таблица – это структура данных , реализующая интерфейс ассоциативного массива, то есть она позволяет хранить пары вида " ключ - значение " и выполнять три операции : операцию добавления новой пары, операцию поиска и операцию удаления пары по ключу. Хеш-таблица является массивом, формируемым в определенном порядке хеш-функцией .

функция должна быть простой с вычислительной точки зрения;
функция должна распределять ключи в хеш-таблице наиболее равномерно;
функция не должна отображать какую-либо связь между значениями ключей в связь между значениями адресов;
функция должна минимизировать число коллизий – то есть ситуаций, когда разным ключам соответствует одно значение хеш-функции (ключи в этом случае называются синонимами ).

При этом первое свойство хорошей хеш-функции зависит от характеристик компьютера, а второе – от значений данных.

Если бы все данные были случайными, то хеш-функции были бы очень простые (например, несколько битов ключа). Однако на практике случайные данные встречаются достаточно редко, и приходится создавать функцию, которая зависела бы от всего ключа. Если хеш-функция распределяет совокупность возможных ключей равномерно по множеству индексов, то хеширование эффективно разбивает множество ключей. Наихудший случай – когда все ключи хешируются в один индекс .

При возникновении коллизий необходимо найти новое место для хранения ключей, претендующих на одну и ту же ячейку хеш-таблицы. Причем, если коллизии допускаются, то их количество необходимо минимизировать. В некоторых специальных случаях удается избежать коллизий вообще. Например, если все ключи элементов известны заранее (или очень редко меняются), то для них можно найти некоторую инъективную хеш-функцию, которая распределит их по ячейкам хеш-таблицы без коллизий . Хеш-таблицы, использующие подобные хеш-функции , не нуждаются в механизме разрешения коллизий , и называются хеш-таблицами с прямой адресацией .

Хеш-таблицы должны соответствовать следующим свойствам .

Выполнение операции в хеш-таблице начинается с вычисления хеш-функции от ключа. Получающееся хеш-значение является индексом в исходном массиве.
Количество хранимых элементов массива, деленное на число возможных значений хеш-функции , называется коэффициентом заполнения хеш-таблицы (load factor ) и является важным параметром, от которого зависит среднее время выполнения операций.
Операции поиска, вставки и удаления должны выполняться в среднем за время O(1) . Однако при такой оценке не учитываются возможные аппаратные затраты на перестройку индекса хеш-таблицы, связанную с увеличением значения размера массива и добавлением в хеш-таблицу новой пары.
Механизм разрешения коллизий является важной составляющей любой хеш-таблицы.

Хеширование полезно, когда широкий диапазон возможных значений должен быть сохранен в малом объеме памяти, и нужен способ быстрого, практически произвольного доступа. Хэш-таблицы часто применяются в базах данных, и, особенно, в языковых процессорах типа компиляторов и ассемблеров , где они повышают скорость обработки таблицы идентификаторов. В качестве использования хеширования в повседневной жизни можно привести примеры распределение книг в библиотеке по тематическим каталогам, упорядочивание в словарях по первым буквам слов, шифрование специальностей в вузах и т.д.

Методы разрешения коллизий

Коллизии осложняют использование хеш-таблиц, так как нарушают однозначность соответствия между хеш-кодами и данными. Тем не менее, существуют способы преодоления возникающих сложностей:

метод цепочек (внешнее или открытое хеширование );
метод открытой адресации (закрытое хеширование ).

Метод цепочек . Технология сцепления элементов состоит в том, что элементы множества , которым соответствует одно и то же хеш- значение , связываются в цепочку- список . В позиции номер i хранится указатель на голову списка тех элементов, у которых хеш- значение ключа равно i ; если таких элементов в множестве нет, в позиции i записан NULL . На рис. 38.1 демонстрируется реализация метода цепочек при разрешении коллизий . На ключ 002 претендуют два значения, которые организуются в линейный список .

Рис. 38.1.

Каждая ячейка массива является указателем на связный список (цепочку) пар ключ - значение , соответствующих одному и тому же хеш-значению ключа. Коллизии просто приводят к тому, что появляются цепочки длиной более одного элемента.

Операции поиска или удаления данных требуют просмотра всех элементов соответствующей ему цепочки, чтобы найти в ней элемент с заданным ключом. Для добавления данных нужно добавить элемент в конец или начало соответствующего списка, и, в случае если коэффициент заполнения станет слишком велик, увеличить размер массива и перестроить таблицу.

При предположении, что каждый элемент может попасть в любую позицию таблицы с равной вероятностью и независимо от того, куда попал любой другой элемент,

Или Хеш-функция — это функция, превращает входные данные любого (как правило большого) размера в данные фиксированного размера. Хеширование (иногда г ешування, англ. Hashing) — преобразование входного массива данных произвольной длины в выходной битовый строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свёртки, а их результаты называют хэшем, хэш-кодом, хеш-суммой, или дайджестом сообщения (англ. Message digest).

Хэш-функция используется в частности в структурах данных — хеш-таблицах, широко используется в программном обеспечении для быстрого поиска данных. Хэш-функции используются для оптимизации таблиц и баз данных за счет того, что в одинаковых записей одинаковые значения хэш-функции. Такой подход поиска дубликатов эффективен в файлах большого размера. Примером этого нахождения подобных участков в последовательностях ДНК. Криптографическая хеш-функция позволяет легко проверить, что некоторые входные данные сопоставляются с заданным значением хеш, но, если входные данные неизвестны, намеренно трудно восстановить входное значение (или эквивалентную альтернативу), зная сохранено значение хеш-функции. Это используется для обеспечения целостности передаваемых данных и является строительным блоком для HMACs, которые обеспечивают аутентификацию сообщений.

Хэш-функции связаны (и их часто путают) с суммой, контрольными цифрами, отпечатками пальцев, рандомизации функций, кодами, исправляют ошибки, и с шифрами. Хотя эти понятия в определенной степени совпадают, каждый из них имеет свою собственную область применения и требования и является разработанным и оптимизированным по-разному.

История

Дональд Кнут приписывает первую систематическую идею хеширования сотруднику IBM Ханса Петера Луна, предложил хеш в январе 1953 года.

В 1956 году Арнольд Думы в своей работе «Computers and automation» первым представил концепцию хеширования такой, какой ее знает большинство программистов в наше время. Думы рассматривал хеширования, как решение «Проблемы словаря», а также предложил использовать в качестве хеш-адреса остаток от деления на простое число.

Первой значительной работой, которая была связана с поиском в больших файлах, была статья Уэсли Питерсона в IBM Journal of Research and Development 1957 года в которой он определил открытую адресацию, а также указал на ухудшение производительности при удалении. Через шесть лет была опубликована работа Вернера Бухгольца, в которой в значительной степени исследовались хэш-функции. В течение нескольких следующих лет хеширования широко использовалось, однако не было опубликовано ни одной значительной работы.

В 1967 году хеширования в современном смысле упомянуто в книге Херберта Хеллерман «Принципы цифровых вычислительных систем». В 1968 году Роберт Моррис опубликовал в Communications of the ACM большой обзор о хеширования. Эта работа считается публикацией, вводящий понятие о хешировании в научный оборот и окончательно закрепляет среди специалистов термин «хэш».

К началу 1990-х годов эквивалентом термина «хеширования», благодаря работам Андрея Ершова, использовалось слово «расстановка» (рус.), А для коллизий использовался термин «конфликт» (рус.) (Ершов использовал «расстановки» с 1956, а также в русскоязычном издании книги Никлауса Вирта "Алгоритмы и структуры данных» (1989) используется этот термин). Однако ни один из этих вариантов не прижился, и в литературе используется преимущественно термин «хеширования».

Описание

Хеширования применяется для построения ассоциативных массивов, поиска дубликатов в сериях наборов данных, построения уникальных идентификаторов для наборов данных, контрольного суммирования с целью выявления случайных или преднамеренных ошибок при хранении или передачи, для хранения паролей в системах защиты (в этом случае доступ к области памяти " памяти, где находятся пароли, не позволяет восстановить сам пароль), при выработке электронной подписи (на практике часто подписывается не самое сообщение, а его хеш-образ).

В общем случае однозначного соответствия между исходными данными и хеш-кодом нет в силу того, что количество значений хэш-функций меньше, чем число вариантов значений входного массива. Существует множество массивов с разным содержанием, но дают одинаковые хеш-коды — так называемые коллизии. Вероятность возникновения коллизий играет важную роль в оценке качества хеш-функций.

Существует множество алгоритмов хеширования с различными свойствами (разрядность, вычислительная сложность, криптостойкость и т.д.). Выбор той или иной хэш-функции определяется спецификой решаемой задачи. Простейшими примерами хеш-функций могут служить контрольная сумма или CRC.

Виды хеш-функций

Хорошая хеш-функция должна удовлетворять двум свойствам:

Быстро исчисляться;
Минимизировать количество коллизий

Допустим, для определенности, — количество ключей, а хэш-функция имеет не больше различных значений:

Как пример «плохой» хеш-функции можно привести функцию с, которая десятизначный натуральному числу сопоставляет три цифры, выбранные с середины двадцатизначные квадрата числа. Казалось бы, значение хеш-кодов должны равномерно распределиться между «000» и «999», но для реальных данных такой метод подходит только в том случае, если ключи не имеют большого количества нулей слева или справа.

Однако, существует несколько других простых и надежных методов, на которых базируется много хэш-функций.

Хэш-функции на основе деления

Первый метод заключается в том, что мы используем в качестве хэша — остаток от деления на, где — это количество всех возможных хэшей:

При этом очевидно, что при парном режим экономии парным, при парном. А нечетным — при нечетном, что может привести к значительному смещению данных в файлах. Также не следует использовать в качестве базу системы счисления компьютера, поскольку хэш будет зависеть только от нескольких цифр числа, расположенных справа, что приведет к большому количеству коллизий. На практике обычно выбирают простое — в большинстве случаев этот выбор вполне удовлетворительное.

Еще следует сказать о методе хэширования, в основе которого заключается деления на поленом по модулю два. В данном методе также должна быть степенью двойки, а бинарные ключи () имеют вид полиномов. В этом случае в качестве хеш-кода берутся значения коэффициентов полинома, полученного как остаток от деления на заранее выбранный полином степени:

При правильном выборе такой способ гарантирует отсутствие коллизий между почти одинаковыми ключами.

Мультипликативная схема хеширования

Второй метод заключается в выборе некоторой целой константы, взаимно простой с, где — количество возможных вариантов значений в виде машинного слова (в компьютерах IBM PC). Тогда можем взять хеш-функцию вида:

В этом случае, на компьютере с двоичной системой счисления, представляет собой степень двойки, а состоять из старших битов правой половины произведения.

Среди преимуществ этих двух методов стоит отметить, что они выгодно используют то, что реальные ключи неслучайны. Например, в том случае, если ключи представляют собой арифметическую прогрессию (допустим последовательность названий «имья1», «имя2», «имья3»). Мультипликативный метод отобразит арифметическую прогрессию в приближенную арифметическую прогрессию различных хеш-значений, уменьшает количество коллизий по сравнению со случайной ситуацией.

Одной из вариаций данного метода является хеширования Фибоначчи, основанное на свойствах золотого сечения. В качестве здесь избирается ближайшее к целое число, взаимно простое с

Хеширования строк переменной длины

Вышеизложенные методы применяются и в том случае, когда нам необходимо рассматривать ключи, состоящие из нескольких слов или ключи с переменной длиной. Например, можно скомбинировать слова в одно с помощью сложения по модулю или операции «сложение по модулю 2». Одним из алгоритмов, работающих по такому принципу, является хэш-функция Пирсона.

Хеширования Пирсона (англ. Pearson hashing) — алгоритм, предложенный Питером Пирсоном (англ. Peter Pearson) для процессоров с 8-битными регистрами, задачей которого является быстрое вычисление хэш-кода для строки произвольной длины. На вход функция получает слово, состоящее из символов, каждый размером 1 байт, и возвращает значение в диапазоне от 0 до 255. При этом значение хеш-кода зависит от каждого символа входного слова.

Алгоритм можно описать следующим псевдокодом, который получает на вход строку и использует таблицу перестановок

h: = 0 For each c in W loop index:= h xor ch:= T End loop Return h

Среди преимуществ алгоритма следует отметить:

простоту вычисления;
не существует таких входных данных, для которых вероятность коллизии самая;
возможность модификации в идеальную хеш-функцию.

В качестве альтернативного способа хеширования ключей, состоящие из символов (), можно предложить вычисления

Применение хэш-функций

Хэш-функции широко используются в криптографии, а также во многих структурах данных — хеш-таблицах, фильтрах Блума и декартовых деревьях.

Криптографические хеш-функции

Среди множества существующих хеш-функций принято выделять криптографически стойкие, применяемые в криптографии, так как на них накладываются дополнительные требования. Для того, чтобы хеш-функция считалась криптографически стойкой, она должна удовлетворять трем основным требованиям, на которых основано большинство применений хеш-функций в криптографии:

Необратимость: для заданного значения хэш-функции m должно быть вычислительно невозможно найти блок данных, для которого.
Устойчивость коллизиям первого рода: для заданного сообщения M должно быть вычислительно невозможно подобрать другое сообщение N, для которого.
Устойчивость к коллизиям второго рода: должно быть вычислительно невозможно подобрать пару сообщений, имеющих одинаковый хеш.

Данные требования зависят друг от друга:

Оборотная функция неустойчива к коллизиям первого и второго рода.
Функция, неустойчивая к коллизиям первого рода, неустойчивая к коллизиям второго рода; обратное неверно.

Следует отметить, что не доказано существование необратимых хеш-функций, для которых вычисления любого прообраза заданного значения хэш-функции теоретически невозможно. Обычно нахождения обратного значения являются только вычислительно сложной задачей.

Атака «дней рождения» позволяет находить коллизии для хэш-функции с длиной значений n бит в среднем за примерно вычислений хэш-функции. Поэтому n — битная хэш-функция считается крипостийкою, если вычислительная сложность нахождения коллизий для нее близка к.

Для криптографических хэш-функций также важно, чтобы при малейшем изменении аргумента значение функции сильно изменялось (лавинный эффект). В частности, значение хеша не должно давать утечки информации, даже об отдельных биты аргумента. Это требование является залогом криптостойкости алгоритмов хеширования, хешуючих пароль пользователя для получения ключа.

Хеширования часто используется в алгоритмах электронно-цифровой подписи, где шифруется не самое сообщение, а его хэш, что уменьшает время вычисления, а также повышает криптостойкость. Также в большинстве случаев, вместо паролей хранятся значения их хеш-кодов.

Геометрическое хеширования

Геометрическое хеширования (англ. Geometric hashing) — широко применяемый в компьютерной графике и вычислительной геометрии метод для решения задач на плоскости или в трехмерном пространстве, например, для нахождения ближайших пар в множестве точек или для поиска одинаковых изображений. Хэш-функция в данном методе обычно получает на вход какой метрический пространство и разделяет его, создавая сетку из клеток. Таблица в данном случае является массивом с двумя или более индексами и называется файл сетки (англ. Grid file). Геометрическое хеширования также применяется в телекоммуникациях при работе с многомерными сигналами.

Ускорение поиска данных

Хеш-таблица — это структура данных, позволяет хранить пары вида (ключ, хеш-код) и поддерживает операции поиска, вставки и удаления элементов. Задачей хеш-таблиц является ускорение поиска, например, в случае записей в текстовых полей в базе данных может рассчитываться их хэш код и данные могут помещаться в раздел, соответствующий этому хэш-кода. Тогда при поиске данных надо будет сначала вычислить хэш текста и сразу станет известно, в каком разделе их надо искать, то есть, искать надо будет не по всей базе, а только по одному ее раздела (это сильно ускоряет поиск).

Бытовым аналогом хеширования в данном случае может служить размещение слов в словаре по алфавиту. Первая буква слова является его хеш-кодом, и при поиске мы просматриваем не весь словарь, а только нужную букву.

Как я полагаю, многим известно о том, что с 2007 года Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) проводит конкурс на разработку хэш-алгоритма для замены SHA-1, и семейства алгоритмов SHA-2. Однако данная тема, почему-то обделена вниманием на сайте. Собственно это и привело меня к вам. Предлагаю вашему вниманию цикл статей, посвященных хэш-алгоритмам. В этом цикле мы вместе изучим основы хэш-функций, рассмотрим самые именитые хэш-алгоритмы, окунемся в атмосферу конкурса SHA-3 и рассмотрим алгоритмы, претендующие на победу в нем, обязательно их потестируем. Так же по возможности будут рассмотрены российские стандарты хеширования.

О себе

Студент кафедры информационной безопасности.

О хэшировании

В настоящее время практически ни одно приложение криптографии не обходится без использования хэширования.
Хэш-функции – это функции, предназначенные для «сжатия» произвольного сообщения или набора данных, записанных, как правило, в двоичном алфавите, в некоторую битовую комбинацию фиксированной длины, называемую сверткой. Хэш-функции имеют разнообразные применения при проведении статистических экспериментов, при тестировании логических устройств, при построении алгоритмов быстрого поиска и проверки целостности записей в базах данных. Основным требованием к хэш-функциям является равномерность распределения их значений при случайном выборе значений аргумента.
Криптографической хеш-функцией называется всякая хеш-функция, являющаяся криптостойкой, то есть удовлетворяющая ряду требований специфичных для криптографических приложений. В криптографии хэш-функции применяются для решения следующих задач:
- построения систем контроля целостности данных при их передаче или хранении,
- аутентификация источника данных.

Хэш-функцией называется всякая функция h:X -> Y , легко вычислимая и такая, что для любого сообщения M значение h(M) = H (свертка) имеет фиксированную битовую длину. X - множество всех сообщений, Y - множество двоичных векторов фиксированной длины.

Как правило хэш-функции строят на основе так называемых одношаговых сжимающих функций y = f(x 1 , x 2) двух переменных, где x 1 , x 2 и y - двоичные векторы длины m , n и n соответственно, причем n - длина свертки, а m - длина блока сообщения.
Для получения значения h(M) сообщение сначала разбивается на блоки длины m (при этом, если длина сообщения не кратна m то последний блок неким специальным образом дополняется до полного), а затем к полученным блокам M 1 , M 2 ,.., M N применяют следующую последовательную процедуру вычисления свертки:

H o = v,
H i = f(M i ,H i-1), i = 1,.., N,
h(M) = H N

Здесь v - некоторая константа, часто ее называют инициализирующим вектором. Она выбирается
из различных соображений и может представлять собой секретную константу или набор случайных данных (выборку даты и времени, например).
При таком подходе свойства хэш-функции полностью определяются свойствами одношаговой сжимающей функции.

Выделяют два важных вида криптографических хэш-функций - ключевые и бесключевые. Ключевые хэш-функции называют кодами аутентификации сообщений. Они дают возможность без дополнительных средств гарантировать как правильность источника данных, так и целостность данных в системах с доверяющими друг другу пользователями.
Бесключевые хэш-функции называются кодами обнаружения ошибок. Они дают возможность с помощью дополнительных средств (шифрования, например) гарантировать целостность данных. Эти хэш-функции могут применяться в системах как с доверяющими, так и не доверяющими друг другу пользователями.

О статистических свойствах и требованиях

Как я уже говорил основным требованием к хэш-функциям является равномерность распределения их значений при случайном выборе значений аргумента. Для криптографических хеш-функций также важно, чтобы при малейшем изменении аргумента значение функции сильно изменялось. Это называется лавинным эффектом.

К ключевым функциям хэширования предъявляются следующие требования:
- невозможность фабрикации,
- невозможность модификации.

Первое требование означает высокую сложность подбора сообщения с правильным значением свертки. Второе - высокую сложность подбора для заданного сообщения с известным значением свертки другого сообщения с правильным значением свертки.

К бесключевым функциям предъявляют требования:
- однонаправленность,
- устойчивость к коллизиям,
- устойчивость к нахождению второго прообраза.

Под однонаправленностью понимают высокую сложность нахождения сообщения по заданному значению свертки. Следует заметить что на данный момент нет используемых хэш-функций с доказанной однонаправленностью.
Под устойчивостью к коллизиям понимают сложность нахождения пары сообщений с одинаковыми значениями свертки. Обычно именно нахождение способа построения коллизий криптоаналитиками служит первым сигналом устаревания алгоритма и необходимости его скорой замены.
Под устойчивостью к нахождению второго прообраза понимают сложность нахождения второго сообщения с тем же значением свертки для заданного сообщения с известным значением свертки.

Это была теоретическая часть, которая пригодится нам в дальнейшем…

О популярных хэш-алгоритмах

Алгоритмы CRC16/32 - контрольная сумма (не криптографическое преобразование).

Алгоритмы MD2/4/5/6 . Являются творением Рона Райвеста, одного из авторов алгоритма RSA.
Алгоритм MD5 имел некогда большую популярность, но первые предпосылки взлома появились еще в конце девяностых, и сейчас его популярность стремительно падает.
Алгоритм MD6 - очень интересный с конструктивной точки зрения алгоритм. Он выдвигался на конкурс SHA-3, но, к сожалению, авторы не успели довести его до кондиции, и в списке кандидатов, прошедших во второй раунд этот алгоритм отсутствует.

Алгоритмы линейки SHA Широко распространенные сейчас алгоритмы. Идет активный переход от SHA-1 к стандартам версии SHA-2. SHA-2 - собирательное название алгоритмов SHA224, SHA256, SHA384 и SHA512. SHA224 и SHA384 являются по сути аналогами SHA256 и SHA512 соответственно, только после расчета свертки часть информации в ней отбрасывается. Использовать их стоит лишь для обеспечения совместимости с оборудованием старых моделей.

Российский стандарт - ГОСТ 34.11-94 .

В следующей статье

Обзор алгоритмов MD (MD4, MD5, MD6).

Литература

А. П. Алферов, Основы криптографии.

Брюс Шнайер, Прикладная криптография.

Вопросы:

1. Понятие хеш-функции.

2. Использование блочных алгоритмов шифрования для формирования хеш-функции.

3. Обзор алгоритмов формирования хеш-функций.

1. Понятие хеш-функции

Хеш-функцией (hash function) называется математическая или иная функция, которая для строки произвольной длины вычисляет некоторое целое значение или некоторую другую строку фиксированной длины. Математически это можно записать так:

h = H(M) ,

где М – исходное сообщение, называемое иногда прообразом , а h – результат, называемый значением хеш-функции (а также хеш-кодом или дайджестом сообщения (от англ. message digest )).

Смысл хеш-функции состоит в определении характерного признака прообраза – значения хеш-функции. Это значение обычно имеет определенный фиксированный размер, например, 64 или 128 бит. Хеш-код может быть в дальнейшем проанализирован для решения какой-либо задачи. Так, например, хеширование может применяться для сравнения данных: если у двух массивов данных хеш-коды разные, массивы гарантированно различаются; если одинаковые - массивы, скорее всего, одинаковы. В общем случае однозначного соответствия между исходными данными и хеш-кодом нет из-за того, что количество значений хеш-функций всегда меньше, чем вариантов входных данных. Следовательно, существует множество входных сообщений, дающих одинаковые хеш-коды (такие ситуации называются коллизиями ). Вероятность возникновения коллизий играет немаловажную роль в оценке качества хеш-функций.

Хеш-функции широко применяются в современной криптографии.

Простейшая хеш- функция может быть составлена с использованием операции "сумма по модулю 2" следующим образом: получаем входную строку, складываем все байты по модулю 2 и байт-результат возвращаем в качестве значения хеш-фукнции. Длина значения хеш-функции составит в этом случае 8 бит независимо от размера входного сообщения.

Например, пусть исходное сообщение, переведенное в цифровой вид, было следующим (в шестнадцатеричном формате):

2 B 1 4 A 9 5 F E 4

Переведем сообщение в двоичный вид, запишем байты друг под другом и сложим биты в каждом столбике по модулю 2:

0010 1011

0001 0100

1010 1001

0101 1111

1110 0100

——————-

0010 1101

Результат: 0010 1101 или 2 D и будет значением хеш-функции.

Однако такую хеш-функцию нельзя использовать для криптографических целей, например для формирования электронной подписи, так как достаточно легко изменить содержание подписанного сообщения, не меняя значения контрольной суммы.

Поэтому рассмотренная хеш- функция не годится для криптографических применений. В криптографии хеш- функция считается хорошей, если трудно создать два прообраза с одинаковым значением хеш-функции, а также, если у выхода функции нет явной зависимости от входа.

Сформулируем основные требования, предъявляемые к криптографическим хеш-функциям:

· хеш-функция должна быть применима к сообщению любого размера;

· вычисление значения функции должно выполняться достаточно быстро;

· при известном значении хеш-функции должно быть трудно (практически невозможно) найти подходящий прообраз М ;

· при известном сообщении М должно быть трудно найти другое сообщение М’ с таким же значением хеш-функции, как у исходного сообщения;

· должно быть трудно найти какую-либо пару случайных различных сообщений с одинаковым значением хеш-функции.

Создать хеш-функцию, которая удовлетворяет всем перечисленным требованиям – задача непростая. Необходимо также помнить, что на вход функции поступают данные произвольного размера, а хеш-результат не должен получаться одинаковым для данных разного размера.

В настоящее время на практике в качестве хеш-функций применяются функции, обрабатывающие входное сообщение блок за блоком и вычисляющие хеш- значение h i для каждого блока M i входного сообщения по зависимостям вида

h i = H(M i ,h i-1),

где h i-1 – результат, полученный при вычислении хеш-функции для предыдущего блока входных данных.

В результате выход хеш-функции h n является функцией от всех n блоков входного сообщения.

2. Использование блочных алгоритмов шифрования для формирования хеш-функции.

В качестве хеш-функции можно использовать блочный алгоритм симметричного шифрования. Если используемый блочный алгоритм криптографически стоек, то и хеш- функция на его основе будет надежной.

Простейшим способом использования блочного алгоритма для получения хеш-кода является шифрование сообщения в режиме CBC (Cipher Block Chaining – Режим сцепления блоков шифротекста ). В этом случае сообщение представляется в виде последовательности блоков, длина которых равна длине блока алгоритма шифрования. При необходимости последний блок дополняется справа нулями, чтобы получился блок нужной длины. Хеш-значением будет последний зашифрованный блок текста. При условии использования надежного блочного алгоритма шифрования полученное хеш- значение будет обладать следующими свойствами:

· практически невозможно без знания ключа шифрования вычисление хеш-значения для заданного открытого массива информации;

· практически невозможен без знания ключа шифрования подбор открытых данных под заданное значение хеш-функции.

Сформированное таким образом хеш- значение обычно называют имитовставкой или аутентификатором и используется для проверки целостности сообщения. Таким образом, имитовставка – это контрольная комбинация, зависящая от открытых данных и секретной ключевой информации. Целью использования имитовставки является обнаружение всех случайных или преднамеренных изменений в массиве информации. Значение, полученное хеш-функцией при обработке входного сообщения, присоединяется к сообщению в тот момент, когда известно, что сообщение корректно. Получатель проверяет целостность сообщения путем вычисления имитовставки полученного сообщения и сравнения его с полученным хеш-кодом, который должен быть передан безопасным способом. Одним из таких безопасных способов может быть шифрование имитовставки закрытым ключом отправителя, т.е. создание подписи. Возможно также шифрование полученного хеш-кода алгоритмом симметричного шифрования, если отправитель и получатель имеют общий ключ симметричного шифрования.

Указанный процесс получения и использования имитовставки описан в отечественном стандарте ГОСТ 28147-89. Стандарт предлагает использовать младшие 32 бита блока, полученного на выходе операции шифрования всего сообщения в режиме сцепления блоков шифра для контроля целостности передаваемого сообщения. Таким же образом для формирования имитовставки можно использовать любой блочный алгоритм симметричного шифрования.

Другим возможным способом применения блочного шифра для выработки хеш-кода является следующий. Исходное сообщение обрабатывается последовательно блоками. Последний блок при необходимости дополняется нулями, иногда в последний блок приписывают длину сообщения в виде двоичного числа. На каждом этапе шифруем хеш- значение, полученное на предыдущем этапе, взяв в качестве ключа текущий блок сообщения. Последнее полученное зашифрованное значение будет окончательным хеш-результатом.

Таким образом, если обычную схему шифрования сообщения М с помощью блочного шифра f на ключе К мы записывали как E= f(M,K) , то схему получения хеш-кода h по описанному выше алгоритму можно представить как

h i = f ( h i -1 , M )

В качестве начального хеш-кода h 0 берут некоторую константу. Шифрование производится в режиме простой замены. При использовании указанного способа размер блока совпадает с длиной ключа и размером хеш-значения будет длина блока.

Возможен также другой способ использования блочного шифра в режиме простой замены: элементы сообщения шифруются хеш-значениями, полученными на предыдущем этапе:

h i = f ( M , h i -1 ,)

На самом деле возможны еще несколько схем использования блочного шифра для формирования хеш-функции. Пусть М i – блок исходного сообщения, h i – значение хеш-функции на i -том этапе, f – блочный алгоритм шифрования, используемый в режиме простой замены, – операция сложения по модулю 2. Тогда возможны, например, следующие схемы формирования хеш-функции:

Во всех этих схемах длина формируемого хеш-значения равна длине блока при шифровании. Все эти, а также некоторые другие схемы использования блочного алгоритма шифрования для вычисления хеш-значений могут применяться на практике.

Основным недостатком хеш-функций, спроектированных на основе блочных алгоритмов, является относительно низкая скорость работы. Необходимую криптостойкость можно обеспечить и за меньшее количество операций над входными данными. Существуют более быстрые алгоритмы хеширования (наиболее распространенные из них – MD5, SHA-1, SHA-2 и ГОСТ Р 34.11-94).

3. Обзор алгоритмов формирования хеш-функций.

В настоящее время предложены и практически используются различные специальные алгоритмы для вычисления хеш-функции. Наиболее известными алгоритмами являются MD5, SHA-1, SHA-2 и другие версии SHA, а также отечественный алгоритм, изложенный в ГОСТ Р 34.11-94.

Алгоритм MD5 появился в начале 90-х годов ХХ века в результате усовершенствования алгоритма формирования хеш-функции MD4. Символы в названии " MD" означают Message Digest – краткое изложение сообщения. Автор алгоритмов MD4 и MD5 – Р. Ривест (R.Rivest). В результате использования MD5 для произвольного сообщения формируется 128-битное хеш- значение. Входные данные обрабатываются блоками по 512 бит. В алгоритме используются элементарные логические операции ( инверсия, конъюнкция, сложение по модулю 2, циклические сдвиги и др.), а также обыкновенное арифметическое сложение. Комплексное повторение этих элементарных функций алгоритма обеспечивает то, что результат после обработки хорошо перемешан. Поэтому маловероятно, чтобы два сообщения, выбранные случайно, имели одинаковый хеш-код. Алгоритм MD5 имеет следующее свойство: каждый бит полученного хеш-значения является функцией от каждого бита входа. Считается, что MD5 является наиболее сильной хеш-функцией для 128-битного хеш-значения.

Алгоритм SHA ( Secure Hash Algorithm – Безопасный хеш- алгоритм) был разработан национальным институтом стандартов и технологии ( NIST) США и опубликован в качестве американского федерального информационного стандарта в 1993 году. SHA-1, как и MD5, основан на алгоритме MD4. SHA-1 формирует 160-битное хеш- значение на основе обработки исходного сообщения блоками по 512 бит. В алгоритме SHA-1 также используются простые логические и арифметические операции. Наиболее важным отличием SHA-1 от MD5 является то, что хеш-код SHA-1 на 32 бита длиннее, чем хеш-код MD5. Если предположить, что оба алгоритма одинаковы по сложности для криптоанализа, то SHA-1 является более стойким алгоритмом. Используя атаку методом грубой силы (лобовую атаку), труднее создать произвольное сообщение, имеющее данный хеш-код, а также труднее создать два сообщения, имеющие одинаковый хеш-код.

В 2001 году национальный институт стандартов и технологии США принял в качестве стандарта три хеш-функции с большей длиной хеш-кода, чем у SHA-1. Часто эти хеш-функции называют SHA-2 или SHA-256, SHA-384 и SHA-512 (в названии указывается длина создаваемого алгоритмами хеш-кода). Эти алгоритмы отличаются не только длиной создаваемого хеш-кода, но и используемыми внутренними функциями и длиной обрабатываемого блока (у SHA-256 длина блока – 512, а у SHA-384 и SHA-512 длина блока – 1024 бита). Постепенные усовершенствования алгоритма SHA ведут к увеличению его криптостойкости. Несмотря на отличия рассматриваемых алгоритмов друг от друга, все они являются дальнейшим развитием SHA-1 и MD4 и имеют похожую структуру.

В России принят ГОСТ Р34.11-94, который является отечественным стандартом для хеш-функций. Его структура довольно сильно отличается от структуры алгоритмов SHA-1,2 или MD5, в основе которых лежит алгоритм MD4. Длина хеш-кода, создаваемого алгоритмом ГОСТ Р 34.11-94, равна 256 битам. Алгоритм последовательно обрабатывает исходное сообщение блоками по 256 бит справа налево. Параметром алгоритма является стартовый вектор хеширования – произвольное фиксированное значение длиной также 256 бит. В алгоритме ГОСТ Р 34.11-94 используются операции перестановки, сдвига, арифметического сложения, сложения по модулю 2. В качестве вспомогательной функции в ГОСТ 34.11-94 используется алгоритм по ГОСТ 28147-89 в режиме простой замены.

4. Требования к хэш-функциям

Хэш-функцией называется односторонняя функция, предназначенная для получения дайджеста или "отпечатков пальцев" файла, сообщения или некоторого блока данных.

Хэш-код создается функцией Н :

h = H (M)

Где М является сообщением произвольной длины и h является хэш-кодом фиксированной длины.

Рассмотрим требования, которым должна соответствовать хэш-функция для того, чтобы она могла использоваться в качестве аутентификатора сообщения. Рассмотрим очень простой пример хэш-функции. Затем проанализируем несколько подходов к построению хэш-функции.

Хэш-функция Н , которая используется для аутентификации сообщений, должна обладать следующими свойствами:

1. Хэш-функция Н должна применяться к блоку данных любой длины.

2. Хэш-функция Н создает выход фиксированной длины.

3. Н (М) относительно легко (за полиномиальное время) вычисляется для любого значения М .

4. Для любого данного значения хэш-кода h вычислительно невозможно найти M такое, что Н (M) = h .

5. Для любого данного х вычислительно невозможно найти , что

H (y) = H (x).

6. Вычислительно невозможно найти произвольную пару (х , y ) такую, что H (y) = H (x) .

Первые три свойства требуют, чтобы хэш-функция создавала хэш-код для любого сообщения.

Четвертое свойство определяет требование односторонности хэш-функции: легко создать хэш-код по данному сообщению, но невозможно восстановить сообщение по данному хэш-коду. Это свойство важно, если аутентификация с использованием хэш-функции включает секретное значение. Само секретное значение может не посылаться, тем не менее, если хэш-функция не является односторонней, противник может легко раскрыть секретное значение следующим образом. При перехвате передачи атакующий получает сообщение М и хэш-код С = Н (SAB || M) . Если атакующий может инвертировать хэш-функцию, то, следовательно, он может получить SAB || M = H-1 (C) . Так как атакующий теперь знает и М и SAB || M , получить SAB совсем просто.

Пятое свойство гарантирует, что невозможно найти другое сообщение, чье значение хэш-функции совпадало бы со значением хэш-функции данного сообщения. Это предотвращает подделку аутентификатора при использовании зашифрованного хэш-кода. В данном случае противник может читать сообщение и, следовательно, создать его хэш-код. Но так как противник не владеет секретным ключом, он не имеет возможности изменить сообщение так, чтобы получатель этого не обнаружил. Если данное свойство не выполняется, атакующий имеет возможность выполнить следующую последовательность действий: перехватить сообщение и его зашифрованный хэш-код, вычислить хэш-код сообщения, создать альтернативное сообщение с тем же самым хэш-кодом, заменить исходное сообщение на поддельное. Поскольку хэш-коды этих сообщений совпадают, получатель не обнаружит подмены.

Хэш-функция, которая удовлетворяет первым пяти свойствам, называется простой или слабой хэш-функцией. Если кроме того выполняется шестое свойство, то такая функция называется сильной хэш-функцией. Шестое свойство защищает против класса атак, известных как атака " день рождения ".

5. Простые хэш-функции

Все хэш-функции выполняются следующим образом. Входное значение (сообщение, файл и т.п.) рассматривается как последовательность n -битных блоков. Входное значение обрабатывается последовательно блок за блоком, и создается m -битное значение хэш-кода.

Одним из простейших примеров хэш-функции является побитовый XOR каждого блока:

С i - i -ый бит хэш-кода, 1 <= i <= n .

k – число n -битных блоков входа.

b ij – i -ый бит в j -ом блоке.

Затем все сообщение шифруется, включая хэш-код, в режиме СВС для создания зашифрованных блоков Y1, Y2, …, YN+1. По определению СВС имеем:

Но XN+1 является хэш-кодом:

Так как слагаемые в предыдущем равенстве могут вычисляться в любом порядке, следовательно, хэш-код не будет изменен, если зашифрованные блоки будут переставлены.

Первоначальный стандарт, предложенный NIST, использовал простой XOR, который применялся к 64-битным блокам сообщения, затем все сообщение шифровалось, используя режим СВС.

"Парадокс дня рождения"

Прежде чем рассматривать более сложные хэш-функции, необходимо проанализировать одну конкретную атаку на простые хэш-функции.

Так называемый " парадокс дня рождения " состоит в следующем. Предположим, количество выходных значений хэш-функции Н равно n . Каким должно быть число k , чтобы для конкретного значения X и значений Y1, , Yk вероятность того, что хотя бы для одного Yi выполнялось равенство

H (X) = H (Y)

была бы больше 0,5.

Для одного Y вероятность того, что H (X) = H (Y) , равна 1/n .

Соответственно, вероятность того, что , равна 1 – 1/n .

Если создать k значений, то вероятность того, что ни для одного из них не будет совпадений, равна произведению вероятностей, соответствующих одному значению, т.е. (1 – 1/n)k .

Следовательно, вероятность, по крайней мере, одного совпадения равна

1 - (1 - 1/n)k

Таким образом, мы выяснили, что для m -битового хэш-кода достаточно выбрать 2m-1 сообщений, чтобы вероятность совпадения хэш-кодов была больше 0,5.

Теперь рассмотрим следующую задачу: обозначим P (n, k) вероятность того, что в множестве из k элементов, каждый из которых может принимать n значений, есть хотя бы два с одинаковыми значениями. Чему должно быть равно k , чтобы P (n, k) была бы больше 0,5 ?

Число различных способов выбора элементов таким образом, чтобы при этом не было дублей, равно

n(n-1) ... (n-k+1)=n!/(n-k)!

Всего возможных способов выбора элементов равно n k

Вероятность того, что дублей нет, равна n!/(n-k)!n k

Вероятность того, что есть дубли, соответственно равна

1 - n!/(n-k)!nk P (n, k) = 1 - n! / ((n-k)! x nk) = 1 - (n x (n-1) x ... x (n-k-1)) / nk = 1 - [ (n-1)/n x (n-2)/n x ... x (n-k+1)/n] = 1 - [(1- 1/n) x (1 - 2/n) x ... x (1 - (k-1)/n)]

Если хэш-код имеет длину m бит, т.е. принимает 2m значений, то

Подобный результат называется "парадоксом дня рождения", потому что в соответствии с приведенными выше рассуждениями для того, чтобы вероятность совпадения дней рождения у двух человек была больше 0,5, в группе должно быть всего 23 человека. Этот результат кажется удивительным, возможно, потому, что для каждого отдельного человека в группе вероятность того, что с его днем рождения совпадет день рождения кого-то другого в группе, достаточно мала.

Вернемся к рассмотрению свойств хэш-функций. Предположим, что используется 64-битный хэш-код. Можно считать, что это вполне достаточная и, следовательно, безопасная длина для хэш-кода. Например, если зашифрованный хэш-код С передается с соответствующим незашифрованным сообщением М , то противнику необходимо будет найти М’ такое, что

Н (М") = Н (М) ,

для того, чтобы подменить сообщение и обмануть получателя. В среднем противник должен перебрать 263 сообщений для того, чтобы найти такое, у которого хэш-код равен перехваченному сообщению.

Тем не менее, возможны различного рода атаки, основанные на "парадоксе дня рождения". Возможна следующая стратегия:

1. Противник создает 2 m/2 вариантов сообщения, каждое из которых имеет некоторый определенный смысл. Противник подготавливает такое же количество сообщений, каждое из которых является поддельным и предназначено для замены настоящего сообщения.

2. Два набора сообщений сравниваются в поисках пары сообщений, имеющих одинаковый хэш-код. Вероятность успеха в соответствии с "парадоксом дня рождения" больше, чем 0,5. Если соответствующая пара не найдена, то создаются дополнительные исходные и поддельные сообщения до тех пор, пока не будет найдена пара.

3. Атакующий предлагает отправителю исходный вариант сообщения для подписи. Эта подпись может быть затем присоединена к поддельному варианту для передачи получателю. Так как оба варианта имеют один и тот же хэш-код, будет создана одинаковая подпись. Противник будет уверен в успехе, даже не зная ключа шифрования.

Таким образом, если используется 64-битный хэш-код, то необходимая сложность вычислений составляет порядка 232.

В заключение отметим, что длина хэш-кода должна быть достаточно большой. Длина, равная 64 битам, в настоящее время не считается безопасной. Предпочтительнее, чтобы длина составляла порядка 100 битов.

Использование цепочки зашифрованных блоков

Существуют различные хэш-функции, основанные на создании цепочки зашифрованных блоков, но без использования секретного ключа. Одна из таких хэш-функций была предложена Рабином. Сообщение М разбивается на блоки фиксированной длины М1, М2, . . . , МN и используется алгоритм симметричного шифрования, например DES, для вычисления хэш-кода G следующим образом:

Н 0 - начальное значение Н i = E Mi G = H N

Это аналогично использованию шифрования в режиме СВС, но в данном случае секретного ключа нет. Как и в случае любой простой хэш-функции, этот алгоритм подвержен "атаке дня рождения", и если шифрующим алгоритмом является DES и создается только 64-битный хэш-код, то система считается достаточно уязвимой.

Могут осуществляться другие атаки типа "дня рождения", которые возможны даже в том случае, если противник имеет доступ только к одному сообщению и соответствующему ему зашифрованному хэш-коду и не может получить несколько пар сообщений и зашифрованных хэш-кодов. Возможен следующий сценарий: предположим, что противник перехватил сообщение с аутентификатором в виде зашифрованного хэш-кода, и известно, что незашифрованный хэш-код имеет длину m битов. Далее противник должен выполнить следующие действия:

· Используя описанный выше алгоритм, вычислить незашифрованный хэш-код G .

· Создать поддельное сообщение в виде Q1, Q2, . . . , QN-2 .

· Вычислить Н i = E Qi для 1 <= i <= N-2 .

· Создать 2 m/2 случайных блоков Х и для каждого такого блока Х вычислить Е Х . Создать дополнительно 2 m/2 cлучайных блока Y и для каждого блока Y вычислить D Y [G] , где D – дешифрующая функция, соответствующая Е . Основываясь на "парадоксе дня рождения" можно сказать, что с высокой степенью вероятности эта последовательность будет содержать блоки Х и Y такие, что Е Х = D Y [Y] .

· Создать сообщение Q1, Q2, . . . , QN-2, X, Y . Это сообщение имеет хэш-код G и, следовательно, может быть использовано вместе с зашифрованным аутентификатором.

Эта форма атаки известна как атака "встреча посередине". В различных исследованиях предлагаются более тонкие методы для усиления подхода, основанного на цепочке блоков. Например, Девис и Прайс описали следующий вариант:

Возможен другой вариант:

Однако обе эти схемы также имеют уязвимости при различных атаках. В более общем случае, можно показать, что некоторая форма "атаки дня рождения" имеет успех при любом хэш-алгоритме, включающем использование цепочки шифрованных блоков без применения секретного ключа.

Дальнейшие исследования были направлены на поиск других подходов к созданию функций хэширования.

Хэш-функция MD5

Рассмотрим алгоритм получения дайджеста сообщения MD5 (RFC 1321), разработанный Роном Ривестом из MIT.

Логика выполнения MD5

Алгоритм получает на входе сообщение произвольной длины и создает в качестве выхода дайджест сообщения длиной 128 бит. Алгоритм состоит из следующих шагов:

Рис. 8.1. Логика выполнения MD5

Шаг 1: добавление недостающих битов

Сообщение дополняется таким образом, чтобы его длина стала равна 448 по модулю 512 (). Это означает, что длина добавленного сообщения на 64 бита меньше, чем число, кратное 512. Добавление производится всегда, даже если сообщение имеет нужную длину. Например, если длина сообщения 448 битов, оно дополняется 512 битами до 960 битов. Таким образом, число добавляемых битов находится в диапазоне от 1 до 512.

Добавление состоит из единицы, за которой следует необходимое количество нулей.

Шаг 2: добавление длины

64-битное представление длины исходного (до добавления) сообщения в битах присоединяется к результату первого шага. Если первоначальная длина больше, чем 2 64 , то используются только последние 64 бита. Таким образом, поле содержит длину исходного сообщения по модулю 2 64 .

В результате первых двух шагов создается сообщение, длина которого кратна 512 битам. Это расширенное сообщение представляется как последовательность 512-битных блоков Y 0 , Y 1 , . . ., Y L-1 , при этом общая длина расширенного сообщения равна L * 512 битам. Таким образом, длина полученного расширенного сообщения кратна шестнадцати 32-битным словам.

Рис. 8.2. Структура расширенного сообщения

Шаг 3: инициализация MD-буфера

Используется 128-битный буфер для хранения промежуточных и окончательных результатов хэш-функции. Буфер может быть представлен как четыре 32-битных регистра (A, B, C, D). Эти регистры инициализируются следующими шестнадцатеричными числами:

А = 01234567 В = 89ABCDEF C = FEDCBA98 D = 76543210

Шаг 4: обработка последовательности 512-битных (16-словных) блоков

Основой алгоритма является модуль, состоящий из четырех циклических обработок, обозначенный как HMD5. Четыре цикла имеют похожую структуру, но каждый цикл использует свою элементарную логическую функцию, обозначаемую f F , f G , f H и f I соответственно.

Рис. 8.3. Обработка очередного 512-битного блока

Каждый цикл принимает в качестве входа текущий 512-битный блок Y q , обрабатывающийся в данный момент, и 128-битное значение буфера ABCD, которое является промежуточным значением дайджеста, и изменяет содержимое этого буфера. Каждый цикл также использует четвертую часть 64-элементной таблицы T, построенной на основе функции sin. i-ый элемент T, обозначаемый T[i], имеет значение, равное целой части от 2 32 * abs (sin (i)), i задано в радианах. Так как abs (sin (i)) является числом между 0 и 1, каждый элемент Т является целым, которое может быть представлено 32 битами. Таблица обеспечивает "случайный" набор 32-битных значений, которые должны ликвидировать любую регулярность во входных данных.

Для получения MD q+1 выход четырех циклов складывается по модулю 2 32 с MD q . Сложение выполняется независимо для каждого из четырех слов в буфере.

F – одна из элементарных функций f F , f G , f H , f I .

Массив из 32-битных слов X содержит значение текущего 512-битного входного блока, который обрабатывается в настоящий момент. Каждый цикл выполняется 16 раз, а так как каждый блок входного сообщения обрабатывается в четырех циклах, то каждый блок входного сообщения обрабатывается по схеме, показанной на Рис. 4 , 64 раза. Если представить входной 512-битный блок в виде шестнадцати 32-битных слов, то каждое входное 32-битное слово используется четыре раза, по одному разу в каждом цикле, и каждый элемент таблицы Т, состоящей из 64 32-битных слов, используется только один раз. После каждого шага цикла происходит циклический сдвиг влево четырех слов A, B, C и D. На каждом шаге изменяется только одно из четырех слов буфера ABCD. Следовательно, каждое слово буфера изменяется 16 раз, и затем 17-ый раз в конце для получения окончательного выхода данного блока.

дайджест.

2. Скорость: программная реализация алгоритма должна выполняться достаточно быстро. В частности, алгоритм должен быть достаточно быстрым на 32-битной архитектуре. Поэтому алгоритм основан на простом множестве элементарных операций над 32-битными словами.

3. Простота и компактность: алгоритм должен быть простым в описании и простым в программировании, без больших программ или подстановочных таблиц. Эти характеристики не только имеют очевидные программные преимущества, но и желательны с точки зрения безопасности, потому что для анализа возможных слабых мест лучше иметь простой алгоритм.

4. Желательна little- endian архитектура: некоторые архитектуры процессоров (такие как линия Intel 80xxx) хранят левые байты слова в позиции младших адресов байта (little- endian). Другие (такие как SUN Sparcstation) хранят правые байты слова в позиции младших адресов байта (big MD4 дополнительная константа в первом цикле не применяется. Аналогичная дополнительная константа используется для каждого из шагов во втором цикле. Другая дополнительная константа используется для каждого из шагов в третьем цикле. В хэш-кода является функцией от каждого бита входа. Комплексное повторение элементарных функций f F , f G , f H и f I обеспечивает то, что результат хорошо перемешан; то есть маловероятно, чтобы два сообщения, выбранные случайно, даже если они имеют явно похожие закономерности, имели одинаковый дайджеста, которые создают одно и то же выходное значение. Это означает, что выполнение MD5 над единственным блоком из 512 бит приведет к одинаковому выходу для двух различных входных значений в буфере ABCD. Пока способа расширения данного подхода для успешной атаки на MD5 не существует.

В самых различных отраслях информационных технологий находят свое применение хэш-функции. Они предназначены для того, чтобы, с одной стороны, значительно упростить обмен данными между пользователями и обработку файлов, используемых в тех или иных целях, с другой — оптимизировать алгоритмы обеспечения контроля доступа к соответствующим ресурсам. Хэш-функция — один из ключевых инструментов обеспечения парольной защиты данных, а также организации обмена документов, подписанных с помощью ЭЦП. Существует большое количество стандартов, посредством которых может осуществляться кэширование файлов. Многие из них разработаны российскими специалистами. В каких разновидностях могут быть представлены хэш-функции? Каковы основные механизмы их практического применения?

Что это такое?

Для начала исследуем понятие хэш-функции. Под данным термином принято понимать алгоритм преобразования некоторого объема информации в более короткую последовательность символов посредством математических методов. Практическую значимость хэш-функции можно проследить в самых разных областях. Так, их можно задействовать при проверке файлов и программ на предмет целостности. Также криптографические хеш-функции задействуются в алгоритмах шифрования.

Характеристики

Рассмотрим ключевые характеристики исследуемых алгоритмов. В числе таковых:

наличие внутренних алгоритмов преобразования данных исходной длины в более короткую последовательность символов;
открытость для криптографической проверки;
наличие алгоритмов, позволяющих надежно шифровать изначальные данные;
адаптированность к расшифровке при задействовании небольших вычислительных мощностей.

В числе иных важнейших свойств хэш-функции:

способность обрабатывать изначальные массивы данных произвольной длины;
формировать хешированные блоки фиксированной длины;
распределять значения функции на выходе равномерно.

Рассматриваемые алгоритмы также предполагают чувствительность к данным на входе на уровне 1 бита. То есть даже если, условно говоря, в исходном документе изменится хотя бы 1 буква, то хэш-функция будет выглядеть иначе.

Требования к хэш-функциям

Существует ряд требований к хэш-функциям, предназначенным для практического задействования в той или иной области. Во-первых, соответствующий алгоритм должен характеризоваться чувствительностью к изменениям во внутренней структуре хешируемых документов. То есть в хэш-функции должны распознаваться, если речь идет о текстовом файле, перестановки абзацев, переносы. С одной стороны, содержимое документа не меняется, с другой — корректируется его структура, и этот процесс должен распознаваться в ходе хеширования. Во-вторых, рассматриваемый алгоритм должен преобразовывать данные так, чтобы обратная операция (превращение хэша в изначальный документ) была на практике невозможна. В-третьих, хэш-функция должна предполагать задействование таких алгоритмов, которые практически исключают вероятность формирования одинаковой последовательности символов в виде хэш, иными словами — появления так называемых коллизий. Их сущность мы рассмотрим чуть позже.

Отмеченные требования, которым должен соответствовать алгоритм хэш-функции, могут быть обеспечены главным образом за счет задействования сложных математических подходов.

Структура

Изучим то, какой может быть структура рассматриваемых функций. Как мы отметили выше, в числе главных требований к рассматриваемым алгоритмам — обеспечение однонаправленности шифрования. Человек, имеющий в распоряжении только хэш, практически не должен иметь возможности получить на его основе исходный документ.

В какой структуре может быть представлена используемая в подобных целях хеш-функция? Пример ее составления может быть таким: H (hash, то есть, хэш) = f (T (текст), H1), где H1 — алгоритм обработки текста T. Данная функция хеширует T таким образом, что без знания H1 открыть его как полноценный файл будет практически невозможно.

Использование хэш-функций на практике: скачивание файлов

Изучим теперь подробнее варианты использования хэш-функций на практике. Задействование соответствующих алгоритмов может применяться при написании скриптов скачивания файлов с интернет-серверов.

В большинстве случаев для каждого файла определяется некая контрольная сумма — это и есть хэш. Она должна быть одинаковой для объекта, располагающегося на сервере и скачанного на компьютер пользователя. Если это не так, то файл может не открыться либо запуститься не вполне корректно.

Хэш-функция и ЭЦП

Использование хэш-функций распространено при организации обмена документами, содержащими электронно-цифровую подпись. Хэшируется в данном случае подписываемый файл, для того чтобы его получатель мог удостовериться в том, что он подлинный. Хотя формально хэш-функция не входит в структуру электронного ключа, она может фиксироваться во флеш-памяти аппаратных средств, с помощью которых подписываются документы, таких как, например, eToken.

Электронная подпись представляет собой шифрование файла при задействовании открытого и закрытого ключей. То есть к исходному файлу прикрепляется зашифрованное с помощью закрытого ключа сообщение, а проверка ЭЦП осуществляется посредством открытого ключа. Если хэш-функция обоих документов совпадает — файл, находящийся у получателя, признается подлинным, а подпись отправителя распознается как верная.

Хеширование, как мы отметили выше, не является непосредственно компонентом ЭЦП, однако позволяет весьма эффективно оптимизировать алгоритмы задействования электронной подписи. Так, шифроваться может, собственно, только хэш, а не сам документ. В итоге скорость обработки файлов значительно возрастает, одновременно становится возможным обеспечивать более эффективные механизмы защиты ЭЦП, так как акцент в вычислительных операциях в этом случае будет ставиться не на обработке исходных данных, а на обеспечении криптографической стойкости подписи. Хэш-функция к тому же делает возможным подписывать самые разные типы данных, а не только текстовые.

Проверка паролей

Еще одна возможная область применения хеширования — организация алгоритмов проверки паролей, установленных для разграничения доступа к тем или иным файловым ресурсам. Каким образом при решении подобных задач могут быть задействованы те или иные виды хеш-функций? Очень просто.

Дело в том, что на большинстве серверов, доступ к которым подлежит разграничению, пароли хранятся в виде хэшированных значений. Это вполне логично — если бы пароли были представлены в исходном текстовом виде, хакеры, получившие доступ к ним, могли бы запросто читать секретные данные. В свою очередь, на основе хэш вычислить пароль непросто.

Каким образом осуществляется проверка доступа пользователя при задействовании рассматриваемых алгоритмов? Пароль, вводимый пользователем, сверяется с тем, что зафиксирован в хэш-функции, что хранится на сервере. Если значения текстовых блоков совпадают — пользователь получает необходимый доступ к ресурсам.

В качестве инструмента проверки паролей может быть задействована самая простая хэш-функция. Но на практике IT-специалисты чаще всего используют комплексные многоступенчатые криптографические алгоритмы. Как правило, они дополняются применением стандартов передачи данных по защищенному каналу — так, чтобы хакеры не смогли обнаружить либо вычислить пароль, передаваемый с компьютера пользователя на сервера — до того, как он будет сверяться с хешированными текстовыми блоками.

Коллизии хэш-функций

В теории хэш-функций предусмотрено такое явление, как коллизия. В чем его сущность? Коллизия хэш-функции — ситуация, при которой два разных файла имеют одинаковый хэш-код. Это возможно, если длина целевой последовательности символов будет небольшой. В этом случае вероятность совпадения хэша будет выше.

Для того чтобы избежать коллизии, рекомендуется, в частности, задействовать двойной алгоритм под названием "хеширование хеш-функции". Он предполагает формирование открытого и закрытого кода. Многие программисты при решении ответственных задач рекомендуют не применять хэш-функции в тех случаях, когда это необязательно и всегда тестировать соответствующие алгоритмы на предмет наилучшей совместимости с теми или иными ключами.

История появления

Основоположниками теории хэш-функций можно считать исследователей Картера, Вегмана, Симонсона, Биербрауера. В первых версиях соответствующие алгоритмы задействовались в качестве инструментария для формирования уникальных образов последовательностей символов произвольной длины с последующей целью их идентификации и проверки на предмет подлинности. В свою очередь, хэш, в соответствии с заданными критериями, должен был обладать длиной 30-512 бит. В качестве особенно полезного свойства соответствующих функций рассматривалась ее приспособленность для задействования в качестве ресурса быстрого поиска файлов, либо их сортировки.

Особенности алгоритма SHA

Применение хэш-функций, базирующихся на стандарте SHA, чаще всего осуществляется в области разработки средств цифровой подписи документов DSA. Как мы отметили выше, алгоритм SHA поддерживает хэш 160 бит (обеспечивая так называемый «дайджест» последовательности символов). Изначально рассматриваемый стандарт делит массив данных на блоки по 512 бит. При необходимости, если длина последнего блока не дотягивает до указанной цифры, структура файла дополняется 1 и необходимым количеством нулей. Также в конце соответствующего блока вписывается код, фиксирующий длину сообщения. Рассматриваемый алгоритм задействует 80 логических функций, посредством которых обрабатывается 3 слова, представленные в 32 разрядах. Также в стандарте SHA предусмотрено использование 4 констант.

Сравнение алгоритмов хеширования

Изучим то, как соотносятся свойства хэш-функций, относящихся к разным стандартам, на примере сопоставления характеристик российского стандарта ГОСТ Р 34.11-94 и американского SHA, который мы рассмотрели выше. Прежде всего, следует отметить то, что алгоритм, разработанный в РФ, предполагает осуществление 4 операций по шифрованию в расчете на 1 цикл. Это соответствует 128 раундам. В свою очередь, в течение 1 раунда при задействовании SHA предполагается вычисление порядка 20 команд, при том что всего раундов 80. Таким образом, использование SHA позволяет в течение 1 цикла обработать 512 бит исходных данных. В то время как российский стандарт способен осуществить операции за цикл в 256 бит данных.

Специфика новейшего российского алгоритма

Выше мы отметили, что стандарт ГОСТ Р 34.11-94 был заменен более новым — ГОСТ Р 34.11-2012 «Стрибог». Исследуем его специфику подробнее.

Посредством данного стандарта могут быть реализованы, как и в случае с алгоритмами, рассмотренными выше, криптографические хеш-функции. Можно отметить, что новейший российский стандарт поддерживает блок входных данных в объеме 512 бит. Основные преимущества ГОСТ Р 34.11-2012:

высокий уровень защищенности от взлома шифров;
надежность, подкрепленная задействованием проверенных конструкций;
оперативное вычисление хэш-функции, отсутствие в алгоритме преобразований, которые усложняют конструкцию функции и замедляют вычисление.

Отмеченные преимущества нового российского стандарта криптографического шифрования позволяют задействовать его при организации документооборота, соответствующего самым строгим критериям, что прописаны в положениях регулирующего законодательства.

Специфика криптографических хэш-функций

Рассмотрим более подробно, каким образом исследуемые нами типы алгоритмов могут задействоваться в сфере криптографии. Ключевое требование к соответствующим функциям — стойкость к коллизиям, о которых мы сказали выше. То есть не должны формироваться повторяющиеся значения хеш-функции, если значения эти уже присутствуют в структуре соседствующего алгоритма. Прочим отмеченным выше критериям криптографические функции также должны соответствовать. Понятно, что всегда есть некая теоретическая возможность восстановления исходного файла на основе хэша, особенно если в доступе есть мощный вычислительный инструмент. Однако подобный сценарий предполагается свести к минимуму, благодаря надежным алгоритмам шифрования. Так, вычислить хэш-функцию будет очень сложно, если ее вычислительная стойкость соответствует формуле 2^{n/2}.

Другой важнейший критерий криптографического алгоритма — изменение хэша в случае корректировки изначального массива данных. Выше мы отметили, что стандарты шифрования должны обладать чувствительностью на уровне 1 бита. Так, данное свойство — ключевой фактор обеспечения надежной парольной защиты доступа к файлам.

Итеративные схемы

Изучим теперь то, каким образом могут быть выстроены криптографические алгоритмы хеширования. В числе самых распространенных схем решения данной задачи — задействование итеративной последовательной модели. Она основана на использовании так называемой сжимающей функции, при которой количество входных бит существенно больше, чем тех, что фиксируются на выходе.

Разумеется, сжимающая функция обязана соответствовать необходимым критериям криптостойкости. При интеративной схеме первая операция по обработке потока входных данных делится на блоки, размер которых исчисляется в битах. Соответствующий алгоритм также задействует временные переменные величиной в заданном количестве бит. В качестве первого значения задействуется общеизвестное число, в то время как последующие блоки данных объединяются со значением рассматриваемой функции на выходе. Значением хэша становятся выходные показатели бит для последней итерации, в которых учитывается весь входной поток, включая первое значение. Обеспечивается так называемый «лавинный эффект» хеширования.

Основная сложность, характеризующая реализуемое в виде итерационной схемы хеширование, — хэш-функции иногда сложно построить в том случае, если входной поток не является идентичным размеру блока, на который делится изначальный массив данных. Но в этом случае в стандарте хеширования могут быть прописаны алгоритмы, посредством которых исходный поток может быть расширен тем или иным образом.

В некоторых случаях в процессе обработки данных в рамках итерационной схемы могут быть задействованы так называемые многопроходные алгоритмы. Они предполагают формирование еще более интенсивного «лавинного эффекта». Подобный сценарий предполагает формирование повторных массивов данных, и только во вторую очередь идет расширение.

Блочный алгоритм

Сжимающая функция может быть также основана на блочном алгоритме, посредством которого осуществляется шифрование. Так, с целью повышения уровня безопасности можно задействовать блоки данных, что подлежат хешированию на текущей итерации, в качестве ключа, а результат операций, полученный в ходе выполнения сжимающей функции до этого — в качестве входа. В результате последняя итерация обеспечит выход алгоритма. Безопасность хеширования будет коррелировать с устойчивостью задействуемого алгоритма.

Однако, как мы отметили выше, рассматривая различные виды хеш-функций, блочные алгоритмы часто сопровождаются необходимостью задействования больших вычислительных мощностей. Если они недоступны — скорость обработки файлов может быть недостаточной для решения практических задач, связанных с использованием хэш-функций. Вместе с тем требуемую криптостойкость можно реализовать и при небольшом количестве операций с потоками исходных данных, в частности к решению подобных задач приспособлены рассмотренные нами алгоритмы — MD5, SHA, российские стандарты криптографического шифрования.