- Что такое хэш-функция в криптографии
- Для чего нужны хэш-функции
- Проверка целостности данных
- Для работы с большими объемами данных
- Криптографическое шифрование
- Создание электронных цифровых подписей
- Защита паролей
- Как работает функция хеширования
- Сферы применения хэш-функций
Чтобы безопасно передавать данные по сети, их нужно кодировать. Один из методов кодировки — классическое шифрование: замена всех символов другими в соответствии с выбранным шифром-ключом. Но у такого подхода есть уязвимость: любой, кто получит ключ-дешифратор, сможет получить доступ к информации. Чтобы этого избежать, используют хеширование с помощью хэш-функций. Рассказываем, что это такое.
Что такое хэш-функция в криптографии
Это односторонний математический алгоритм преобразования массива данных в строку фиксированной длины.
Простыми словами, хеширование — это превращение любых текстов, чисел или наборов символов в уникальные битовые сообщения одинакового размера. Объем входящих данных не важен: короткий логин или многострочный файл функция преобразует в строку с определенным количеством символов и битов.
Например, функция SHA-1 переводит данные в сообщение 160 бит, или 40 символов. Результатом применения функции SHA3-256 всегда является строка 256 бит.
Основные свойства хэш-функции:
- детерминированность — каждое сообщение всегда хешируется в одну и ту же строку;
- необратимость — по результату хеширования невозможно вычислить исходное сообщение;
- уникальность — для каждого сообщения создается неповторимое хеш-значение.
Определить логику хеширования и подобрать ключ для «дешифровки» данных невозможно. Даже если два исходных сообщения отличаются только одним символом, результаты кодирования будут совершенно разными.
Например, если применить хэш-функцию SHA-256 к тексту «GitVerse», получим такой результат:
d8e51877d7b5ebccd0f6f3728ed4192e663c792e240bf00022353d557067893e
Теперь добавим в исходное сообщение единицу в конце — получим «GitVerse1». Результат применения той же функции:
564e920ebbffeb6de2107bf11ecde3ccca38651b85a4b9c17a7e0ce4fed8339b
Видим, что коды не коррелируются: строки кардинально отличаются, поэтому на выходе не получится вычислить символы, отвечающие за каждую букву в исходном тексте. Также мы видим, что обе хеш-суммы имеют длину 64 символа, несмотря на то, что входные данные имеют разную длину.
Если перевести результаты преобразования в двоичную систему, в обоих случаях мы получим 256 бит, что соответствует стандартной длине выходного значения для алгоритма SHA-256.
Для чего нужны хэш-функции
Алгоритм переводит любой объем информации в закодированную уникальную строку известного размера. Это свойство применимо в разных направлениях разработки и администрировании IT-систем.
Проверка целостности данных
Допустим, вы пересылаете другому пользователю большой документ. При его получении адресат хочет убедиться, что информация пришла ровно в том виде, в котором вы ее отправили. Для проверки целостности можно сравнить два хеша: исходный и полученный. Так как результаты кодирования одного и того же массива всегда идентичны, то ваш хеш должен совпадать с хешем получателя. Если хеши разные, значит, информация повреждена или изменена в процессе передачи.
Такой же принцип используется в блокчейн-системах, например для контроля цепочки платежных операций. Хеширование транзакций делает блокчейн-технологию практически неуязвимой для попыток взлома и несанкционированного доступа.
Работа с большим объемом данных
Хеш-алгоритмы помогают быстро находить записи в больших наборах данных. Например, они определяют местоположение записи в хеш-таблице с помощью хеш-кода. Иногда хеширование внедряют в системы управления баз данных и поисковых сервисов для индексирования записей, чтобы ускорить операции поиска и сортировки.
В объемных БД хэш-функции помогают находить дубликаты. Логика проверки следующая: если два объекта имеют одинаковый хеш-код, то эти объекты идентичны.
Криптографическое шифрование
Криптографические хеш-функции применяются в протоколах SSL/TLS для защиты интернет-трафика и IP-сетей. При использовании алгоритма в криптографии нужно учитывать параметр стойкости к коллизиям.
Коллизия — образование двух одинаковых хеш-значений из разных массивов, то есть ситуация, когда два разных ключа генерируют идентичный хеш. Вероятность таких событий должна быть минимальной, а выполнение этого требования делает хеш-алгоритм сложным и ресурсоемким.
Создание электронных цифровых подписей
ЭЦП служит аналогом собственноручной подписи и позволяет заверять юридические и финансовые документы дистанционно. Хеширование входит в процесс формирования, распознавания и определения подлинности подписи.
Одно из свойств, которым обладает хеш, — лавинный эффект, в соответствии с которым даже незначительное изменение входных данных ведет к совершенно новому результату кодирования. Эта особенность позволяет быстро выявлять несанкционированные изменения в текстах документов перед подписанием.
Защита паролей
Хеш-алгоритмы позволяют хранить пароли в закодированном виде, что снижает риск утечки персональной информации. Усилить безопасность помогает автоматическое добавление случайных символов перед хешированием, а также методы двухфакторной аутентификации, например через подтверждение по email, СМС или биометрии.
Как работает функция хеширования
Рассмотрим процесс кодирования текста «GitVerse» алгоритмом SHA-256.
Сначала SHA-256 переводит входные данные в двоичный формат. Для «GitVerse» бинарный код будет следующим:
01000111 01101001 01110100 01010110 01100101 01110010 01110011 01100101
SHA-256 обрабатывает данные блоками по 512 бит. Поэтому после перевода сообщения в двоичный код алгоритм выравнивает последовательность до длины, кратной 512 битам. Для достижения этой цели функция добавляет единичный бит-заполнитель (1), в конце — 64-битовое представление длины исходного сообщения, а между ними — нулевые биты, дополняющие последовательность до нужного размера.
Результат выглядит так:
01000111 01101001 01110100 01010110 01100101 01110010 01110011 01100101 1 000...000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 01000000
Полученное сообщение нужно разбить на блоки одинакового размера и преобразовать в кодированный вид. Для этого SHA-256 задает вектор инициализации — фиксированное значение, которое состоит из восьми 32-битных констант:
- h0 = 6a09e667;
- h1 = bb67ae85;
- h2 = 3c6ef372;
- h3 = a54ff53a;
- h4 = 510e527f;
- h5 = 9b05688c;
- h6 = 1f83d9ab;
- h7 = 5be0cd19.
Значения этих констант входят в методы хеширования SHA-256 и подобраны под оптимальные параметры кодирования.
Следующий этап — разделение сообщения на блоки по 512 бит. В нашем примере блок будет один. Затем функция инициализирует восемь рабочих переменных a — h со значениями h0–h7 и обрабатывает блоки по отдельности.
Основной цикл обработки блока включает 64 раунда — итерации, в каждой из которых используются рабочие переменные и константы. После математических вычислений и преобразований рабочие переменные добавляются к начальным значениям:
- h0 = h0 + a
- h1 = h1 + b
- h2 = h2 + c
- h3 = h3 + d
- h4 = h4 + e
- h5 = h5 + f
- h6 = h6 + g
- h7 = h7 + h
Итоговые хеш-значения h0–h7 объединяются в один 256-битный код. Для слова GitVerse получаем значение:
d8e51877d7b5ebccd0f6f3728ed4192e663c792e240bf00022353d557067893e
По этому коду можно проверить целостность сообщения или решить другие задачи, связанные с криптографией и управлением информацией.
Сферы применения хэш-функций
Хеш-алгоритмы стоит внедрять в цифровые процессы, связанные с обработкой больших массивов данных и необходимостью защиты информации от несанкционированного доступа. Например, зная, что такое хеш пароля, можно организовать надежное хранилище пользовательских учетных данных.
Другие сферы использования технологии:
- антивирусная проверка путем простого сравнения хеша файла с известными вирусами;
- проверка уникальности данных;
- организация управления БД;
- управление сетевыми соединениями и потоками трафика.
Также хэш-функция используется в системах учета версий ПО для контроля целостности данных в репозиториях. Вести версионирование и хранить файлы с исходным кодом удобно на специальных платформах, например в сервисе GitVerse. Пользователям доступны инструменты разработки, помощь AI-ассистента и поддержка большого комьюнити. Чтобы оценить удобство платформы, зарегистрируйтесь на GitVerse.