0、摘要
今天看到吉日嘎拉的一篇關(guān)于管理軟件中信息加密和安全的文章，感覺非常有實(shí)際意義。文中作者從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，討論了信息管理軟件中如何通過哈希和加密進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。但是從文章評(píng)論中也可以看出很多朋友對(duì)這個(gè)方面一些基本概念比較模糊，這樣就容易“照葫蘆畫瓢”，不能根據(jù)自身具體情況靈活選擇和使用各種哈希和加密方式。本文不對(duì)哈希和加密做過于深入的討論，而是對(duì)哈希和加密的基本概念和原理進(jìn)行闡述、比較，并結(jié)合具體實(shí)踐說明如何選擇哈希和加密算法、如何提高安全性等問題，使朋友們做到“知其然，知其所以然”，這樣就能通過分析具體情況，靈活運(yùn)用哈希和加密保護(hù)數(shù)據(jù)。
1、哈希（Hash）與加密（Encrypt）的區(qū)別
在本文開始，我需要首先從直觀層面闡述哈希（Hash）和加密（Encrypt）的區(qū)別，因?yàn)槲乙娺^很多朋友對(duì)這兩個(gè)概念不是很清晰，容易混淆兩者。而正確區(qū)別兩者是正確選擇和使用哈希與加密的基礎(chǔ)。
概括來說，哈希（Hash）是將目標(biāo)文本轉(zhuǎn)換成具有相同長度的、不可逆的雜湊字符串（或叫做消息摘要），而加密（Encrypt）是將目標(biāo)文本轉(zhuǎn)換成具有不同長度的、可逆的密文。
具體來說，兩者有如下重要區(qū)別：
1、哈希算法往往被設(shè)計(jì)成生成具有相同長度的文本，而加密算法生成的文本長度與明文本身的長度有關(guān)。
例如，設(shè)我們有兩段文本：“Microsoft”和“Google”。兩者使用某種哈希算法得到的結(jié)果分別為：“140864078AECA1C7C35B4BEB33C53C34”和“8B36E9207C24C76E6719268E49201D94”，而使用某種加密算法的到的結(jié)果分別為“Njdsptpgu”和“Hpphmf”。可以看到，哈希的結(jié)果具有相同的長度，而加密的結(jié)果則長度不同。實(shí)際上，如果使用相同的哈希算法，不論你的輸入有多么長，得到的結(jié)果長度是一個(gè)常數(shù)，而加密算法往往與明文的長度成正比。
2、哈希算法是不可逆的，而加密算法是可逆的。
這里的不可逆有兩層含義，一是“給定一個(gè)哈希結(jié)果R，沒有方法將E轉(zhuǎn)換成原目標(biāo)文本S”，二是“給定哈希結(jié)果R，即使知道一段文本S的哈希結(jié)果為R，也不能斷言當(dāng)初的目標(biāo)文本就是S”。其實(shí)稍微想想就知道，哈希是不可能可逆的，因?yàn)槿绻赡妫敲垂＞褪鞘澜缟献顝?qiáng)悍的壓縮方式了——能將任意大小的文件壓縮成固定大小。
加密則不同，給定加密后的密文R，存在一種方法可以將R確定的轉(zhuǎn)換為加密前的明文S。
這里先從直觀層面簡單介紹兩者的區(qū)別，等下文從數(shù)學(xué)角度對(duì)兩者做嚴(yán)謹(jǐn)描述后，讀者朋友就知道為什么會(huì)有這兩個(gè)區(qū)別了。
2、哈希（Hash）與加密（Encrypt）的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
從數(shù)學(xué)角度講，哈希和加密都是一個(gè)映射。下面正式定義兩者：
一個(gè)哈希算法 "R=H(S)")
是一個(gè)多對(duì)一映射，給定目標(biāo)文本S，H可以將其唯一映射為R，并且對(duì)于所有S，R具有相同的長度。由于是多對(duì)一映射，所以H不存在逆映射 "S=H^{-1}(R)")
使得R轉(zhuǎn)換為唯一的S。
一個(gè)加密算法 "R=E(S,K_E)")
是一個(gè)一一映射，其中第二個(gè)參數(shù)叫做加密密鑰，E可以將給定的明文S結(jié)合加密密鑰Ke唯一映射為密文R，并且存在另一個(gè)一一映射 "S=D(R,K_D)")
，可以結(jié)合Kd將密文R唯一映射為對(duì)應(yīng)明文S，其中Kd叫做解密密鑰。
下圖是哈希和加密過程的圖示：
有了以上定義，就很清楚為什么會(huì)存在上文提到的兩個(gè)區(qū)別了。由于哈希算法的定義域是一個(gè)無限集合，而值域是一個(gè)有限集合，將無限集合映射到有限集合，根據(jù)“鴿籠原理(Pigeonhole principle)”，每個(gè)哈希結(jié)果都存在無數(shù)個(gè)可能的目標(biāo)文本，因此哈希不是一一映射，是不可逆的。
而加密算法是一一映射，因此理論上來說是可逆的。
但是，符合上面兩個(gè)定義的映射僅僅可以被叫做哈希算法和加密算法，但未必是好的哈希和加密，好的哈希和加密往往需要一些附加條件，下面介紹這些內(nèi)容。
一個(gè)設(shè)計(jì)良好的哈希算法應(yīng)該很難從哈希結(jié)果找到哈希目標(biāo)文本的碰撞（Collision）。那么什么是碰撞呢？對(duì)于一個(gè)哈希算法H，如果=H(S_2) "S_1\neq S_2,H(S_1)=H(S_2)")
，則S1和S2互為碰撞。關(guān)于為什么好的哈希需要難以尋找碰撞，在下面講應(yīng)用的時(shí)候會(huì)詳解。另外，好的哈希算法應(yīng)該對(duì)于輸入的改變極其敏感，即使輸入有很小的改動(dòng)，如一億個(gè)字符變了一個(gè)字符，那么結(jié)果應(yīng)該截然不同。這就是為什么哈希可以用來檢測軟件的完整性。
一個(gè)設(shè)計(jì)良好的加密算法應(yīng)該是一個(gè)“單向陷門函數(shù)(Trapdoor one-way function)”，單向陷門函數(shù)的特點(diǎn)是一般情況下即使知道函數(shù)本身也很難將函數(shù)的值轉(zhuǎn)換回函數(shù)的自變量，具體到加密也就是說很難從密文得到明文，雖然從理論上這是可行的，而“陷門”是一個(gè)特殊的元素，一旦知道了陷門，則這種逆轉(zhuǎn)換則非常容易進(jìn)行，具體到加密算法，陷門就是密鑰。
順便提一句，在加密中，應(yīng)該保密的僅僅是明文和密鑰。也就是說我們通常假設(shè)攻擊者對(duì)加密算法和密文了如指掌，因此加密的安全性應(yīng)該僅僅依賴于密鑰而不是依賴于假設(shè)攻擊者不知道加密算法。
3、哈希（Hash）與加密（Encrypt）在軟件開發(fā)中的應(yīng)用
哈希與加密在現(xiàn)代工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也發(fā)揮了很大作用，這里我們僅僅討論在平常的軟件開發(fā)中最常見的應(yīng)用——數(shù)據(jù)保護(hù)。
所謂數(shù)據(jù)保護(hù)，是指在數(shù)據(jù)庫被非法訪問的情況下，保護(hù)敏感數(shù)據(jù)不被非法訪問者直接獲取。這是非常有現(xiàn)實(shí)意義的，試想一個(gè)公司的安保系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器被入侵，入侵者獲得了所有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的查看權(quán)限，如果管理員的口令（Password）被明文保存在數(shù)據(jù)庫中，則入侵者可以進(jìn)入安保系統(tǒng)，將整個(gè)公司的安保設(shè)施關(guān)閉，或者刪除安保系統(tǒng)中所有的信息，這是非常嚴(yán)重的后果。但是，如果口令經(jīng)過良好的哈希或加密，使得入侵者無法獲得口令明文，那么最多的損失只是被入侵者看到了數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而入侵者無法使用管理員身份進(jìn)入安保系統(tǒng)作惡。
3.1、哈希（Hash）與加密（Encrypt）的選擇
要實(shí)現(xiàn)上述的數(shù)據(jù)保護(hù)，可以選擇使用哈希或加密兩種方式。那么在什么時(shí)候該選擇哈希、什么時(shí)候該選擇加密呢？
基本原則是：如果被保護(hù)數(shù)據(jù)僅僅用作比較驗(yàn)證，在以后不需要還原成明文形式，則使用哈希；如果被保護(hù)數(shù)據(jù)在以后需要被還原成明文，則需要使用加密。
例如，你正在做一個(gè)系統(tǒng)，你打算當(dāng)用戶忘記自己的登錄口令時(shí)，重置此用戶口令為一個(gè)隨機(jī)口令，而后將此隨機(jī)口令發(fā)給用戶，讓用戶下次使用此口令登錄，則適合使用哈希。實(shí)際上很多網(wǎng)站都是這么做的，想想你以前登錄過的很多網(wǎng)站，是不是當(dāng)你忘記口令的時(shí)候，網(wǎng)站并不是將你忘記的口令發(fā)送給你，而是發(fā)送給你一個(gè)新的、隨機(jī)的口令，然后讓你用這個(gè)新口令登錄。這是因?yàn)槟阍谧?cè)時(shí)輸入的口令被哈希后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里，而哈希算法不可逆，所以即使是網(wǎng)站管理員也不可能通過哈希結(jié)果復(fù)原你的口令，而只能重置口令。
相反，如果你做的系統(tǒng)要求在用戶忘記口令的時(shí)候必須將原口令發(fā)送給用戶，而不是重置其口令，則必須選擇加密而不是哈希。
3.2、使用簡單的一次哈希（Hash）方法進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)
首先我們討論使用一次哈希進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)的方法，其原理如下圖所示：
對(duì)上圖我想已無需多言，很多朋友應(yīng)該使用過類似的哈希方法進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。當(dāng)前最常用的哈希算法是MD5和SHA1，下面給出在.NET平臺(tái)上用C#語言實(shí)現(xiàn)MD5和SHA1哈希的代碼，由于.NET對(duì)于這兩個(gè)哈希算法已經(jīng)進(jìn)行很很好的封裝，因此我們不必自己實(shí)現(xiàn)其算法細(xì)節(jié)，直接調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)即可（實(shí)際上MD5和SHA1算法都十分復(fù)雜，有興趣的可以參考維基百科）。
02 |
using System.Web.Security; |
04 |
namespace HashAndEncrypt |
09 |
public sealed class HashHelper |
14 |
/// <param name="source">源字串</param> |
15 |
/// <returns>雜湊字串</returns> |
16 |
public static string MD5Hash(string source) |
18 |
return FormsAuthentication.HashPasswordForStoringInConfigFile(source, "MD5"); |
24 |
/// <param name="source">源字串</param> |
25 |
/// <returns>雜湊字串</returns> |
26 |
public static string SHA1Hash(string source) |
28 |
return FormsAuthentication.HashPasswordForStoringInConfigFile(source, "SHA1"); |
3.3、對(duì)簡單哈希（Hash）的攻擊
下面我們討論上述的數(shù)據(jù)保護(hù)方法是否安全。
對(duì)于哈希的攻擊，主要有尋找碰撞法和窮舉法。
先來說說尋找碰撞法。從哈希本身的定義和上面的數(shù)據(jù)保護(hù)原理圖可以看出，如果想非法登錄系統(tǒng)，不一定非要得到注冊(cè)時(shí)的輸入口令，只要能得到一個(gè)注冊(cè)口令的碰撞即可。因此，如果能從雜湊串中分析出一個(gè)口令的碰撞，則大功告成。
不過我的意見是，對(duì)這種攻擊大可不必?fù)?dān)心，因?yàn)槟壳皩?duì)于MD5和SHA1并不存在有效地尋找碰撞方法。雖然我國杰出的數(shù)學(xué)家王小云教授曾經(jīng)在國際密碼學(xué)會(huì)議上發(fā)布了對(duì)于MD5和SHA1的碰撞尋找改進(jìn)算法，但這種方法和很多人口中所說的“破解”相去甚遠(yuǎn)，其理論目前僅具有數(shù)學(xué)上的意義，她將破解MD5的預(yù)期步驟數(shù)從2^80降到了2^69，雖然從數(shù)學(xué)上降低了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但2^69對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說仍然是一個(gè)天文數(shù)字，就好比以前需要一億年，現(xiàn)在需要一萬年一樣。
不過這并不意味著使用MD5或SHA1后就萬事大吉了，因?yàn)檫�有一種對(duì)于哈希的攻擊方法——窮舉法。通俗來說，就是在一個(gè)范圍內(nèi)，如從000000到999999，將其中所有值一個(gè)一個(gè)用相同的哈希算法哈希，然后將結(jié)果和雜湊串比較，如果相同，則這個(gè)值就一定是源字串或源字串的一個(gè)碰撞，于是就可以用這個(gè)值非法登錄了。
例如，下文是對(duì)MD5的窮舉攻擊的代碼（設(shè)攻擊范圍為000000到999999）：
02 |
using System.Web.Security; |
04 |
namespace HashAndEncrypt |
09 |
public sealed class MD5AttackHelper |
12 |
/// 對(duì)MD5進(jìn)行窮舉攻擊 |
14 |
/// <param name="hashString">雜湊串</param> |
15 |
/// <returns>雜湊串的源串或源串碰撞（攻擊失敗則返回null）</returns> |
16 |
public static string AttackMD5(string hashString) |
18 |
for (int i = 0; i <= 999999; i++) |
20 |
string testString = i.ToString(); |
21 |
while (testString.Length < 6) |
22 |
testString = "0" + testString; |
24 |
if (FormsAuthentication.HashPasswordForStoringInConfigFile(testString, "MD5") == hashString) |
這種看似笨拙的方法，在現(xiàn)實(shí)中爆發(fā)的能量卻是驚人的，目前幾乎所有的MD5破解機(jī)或MD5在線破解都是用這種窮舉法，但就是這種“笨”方法，卻成功破解出很多哈希串。糾其緣由，就是相當(dāng)一部分口令是非常簡單的，如“123456”或“000000”這種口令還有很多人在用，可以看出，窮舉法是否能成功很大程度上取決于口令的復(fù)雜性。因?yàn)楦F舉法掃描的區(qū)間往往是單字符集、規(guī)則的區(qū)間，或者由字典數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，因此，如果使用復(fù)雜的口令，例如“ASDF#$%uiop.8930”這種變態(tài)級(jí)口令，窮舉法就很難奏效了。
3.4、對(duì)一次哈希（Hash）的改進(jìn)——多重混合哈希（Hash）
上面說過，如果口令過于簡單，則使用窮舉法可以很有效地破解出一次哈希后的雜湊串。如果不想這樣，只有讓用戶使用復(fù)雜口令，但是，很多時(shí)候我們并不能強(qiáng)迫用戶，因此，我們需要想一種辦法，即使用戶使用諸如“000000”這種簡單密碼，也令窮舉法難奏效。其中一種辦法就是使用多重哈希，所謂多重哈希就是使用不同的哈希函數(shù)配合自定義的Key對(duì)口令進(jìn)行多次哈希，如果Key很復(fù)雜，那么窮舉法將變得異常艱難。
例如，如果使用下面的混合公式進(jìn)行哈希：
MD5(Key)) "R=SHA1(MD5(S)MD5(Key))")
如果將Key設(shè)為一個(gè)極為復(fù)雜的字符串，那么在攻擊者不知道Key的情況下，幾乎無法通過窮舉法破解。因?yàn)榧词筍很簡單，但是Key的MD5值幾乎是無法在合理時(shí)間內(nèi)窮舉完的。下面是這種多重混合哈希的代碼實(shí)現(xiàn)：
02 |
using System.Web.Security; |
04 |
namespace HashAndEncrypt |
09 |
public sealed class HashHelper |
11 |
private static readonly String hashKey = "qwer#&^Buaa06"; |
13 |
/// 對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行多重混合哈希 |
15 |
/// <param name="source">待處理明文</param> |
16 |
/// <returns>Hasn后的數(shù)據(jù)</returns> |
17 |
public static String Hash(String source) |
19 |
String hashCode = FormsAuthentication.HashPasswordForStoringInConfigFile(source, "MD5") + |
20 |
FormsAuthentication.HashPasswordForStoringInConfigFile(hashKey, "MD5"); |
21 |
return FormsAuthentication.HashPasswordForStoringInConfigFile(hashCode, "SHA1"); |
3.5、使用加密（Encrypt）方法進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)
加密方法如果用于口令保護(hù)的話，與上述哈希方法的流程基本一致，只是在需要時(shí)，可以使用解密方法得到明文。關(guān)于加密本身是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)，而對(duì)于加密算法的攻擊更是可以寫好幾本書了，所以這里從略。下面只給出使用C#進(jìn)行DES加密和解密的代碼。
02 |
using System.Security.Cryptography; |
04 |
using System.Web.Security; |
06 |
namespace HashAndEncrypt |
09 |
/// 工具類，封裝了加解密相關(guān)操作 |
11 |
public sealed class EncryptHelper |
13 |
private static readonly Byte[] DesKey = {5, 7, 8, 9, 0, 2, 1, 6}; |
14 |
private static readonly Byte[] DesVi = { 6, 9, 8, 5, 1, 6, 2, 8 }; |
16 |
/// 使用DES算法加密數(shù)據(jù) |
18 |
/// <param name="data">待加密數(shù)據(jù)</param> |
19 |
/// <returns>密文</returns> |
20 |
public static String Encrypt(String data) |
22 |
DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider(); |
23 |
Encoding utf = new UTF8Encoding(); |
24 |
ICryptoTransform encryptor = des.CreateEncryptor(DesKey, DesVi); |
26 |
byte[] bData = utf.GetBytes(data); |
27 |
byte[] bEnc = encryptor.TransformFinalBlock(bData, 0, bData.Length); |
28 |
return Convert.ToBase64String(bEnc); |
32 |
/// 使用DES算法解密數(shù)據(jù) |
34 |
/// <param name="data">待解密數(shù)據(jù)</param> |
35 |
/// <returns>明文</returns> |
36 |
public static String Decrypt(String data) |
38 |
DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider(); |
39 |
Encoding utf = new UTF8Encoding(); |
40 |
ICryptoTransform decryptor = des.CreateDecryptor(DesKey, DesVi); |
42 |
byte[] bEnc = Convert.FromBase64String(data); |
43 |
byte[] bDec = decryptor.TransformFinalBlock(bEnc, 0, bEnc.Length); |
44 |
return utf.GetString(bDec); |
4、總結(jié)
密碼學(xué)本身是一個(gè)非常深?yuàn)W的數(shù)學(xué)分支，對(duì)于普通開發(fā)者，不需要了解過于深入的密碼學(xué)知識(shí)。本文僅僅講述哈希與加密的基礎(chǔ)內(nèi)容，并對(duì)兩者做了比較，幫助讀者明晰概念，另外，對(duì)一些實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了簡單的討論。希望本文對(duì)大家有所幫助。看了下時(shí)間，零點(diǎn)剛過，祝大家十一快樂！玩得開心！
