Хэш-алгоритмы

• Информационная безопасность

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

О хэшировании

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.

Методы сжатия преобразуемых данных на основе однонаправленных ХЭШ-функций

Хэш-функция (hash, hash-function) – это преобразование, получающее из данных произвольной длины некое значение (свертку) фиксированной длины. Простейшими примерами являются контрольные суммы (например, crc32). Бывают:

· криптографические хэши;

· программистские хэши.

Криптографический хэш отличается от программистского следующими двумя свойствами: необратимостью и свободностью от коллизий. Обозначим:

m - исходные данные,

h(m) – хэш-функция от них.

Необратимость означает, что если известно число h0, то трудно подобрать m такое, что h(m) = h0.

Свободность от коллизий означает, что трудно подобрать такие m1 и m2, что m1 не равно m2, но h(m1) = h(m2).

Криптографические хэш-функции разделяются на два класса:

Хэш-функции без ключа (MDC (Modification (Manipulation) Detect Code) - коды),

Хэш-функции c ключом (MАC (Message Authentication Code) - коды).

Хэш-функции без ключа разделяются на два подкласса: слабые хэш-функции, сильные хэш-функции.

Слабой хэш-функцией называется односторонняя функция H(x), удовлетворяющая следующим условиям:

1. аргумент х может быть строкой бит произвольной длины;

2. значение h(x) должно быть строкой бит фиксированной длины;

3. значение h(x) легко вычислить;

4. для любого фиксированного x вычислительно невозможно найти другой x" ≠ x, такой что h(x")=h(x).

Пара x" ≠ x, когда h(x")=h(x) называется коллизией хэш-функции.

Сильной хэш-функцией называется односторонняя функция h(x), удовлетворяющая условиям 1-4 для слабой хэш-функции и свойству 5:

5. вычислительно невозможно найти любую пару x" ≠ x, такую, что h(x")=h(x).
Поскольку из свойств 1-2 следует, что множество определения хэш-функции значительно шире множества значений, то коллизии должны существовать. Свойство 4 требует, чтобы найти их для заданного значения х было практически невозможно. Требование 5 говорит о том, что у сильной хэш-функции вычислительно невозможно вообще найти какую-либо коллизию.

Существует несколько алгоритмов вычисления хэш-функций

MD2 (Message Digest) ­– алгоритм криптографической свертки. Порождает блок длиной 128 бит от сообщения произвольной длины. Общая схема работы MD2:

a. дополнение текста сообщений до длины, кратной 128 бит;

b. вычисление 16-битной контрольной суммы, старшие разряды отбрасываются;

c. добавление контрольной суммы к тексту;

d. повторное вычисление контрольной суммы.

Алгоритм MD2 очень медленный, поэтому чаще применяются MD4, MD5, SHA (Secure Hash Algorithm). Результирующий хэш имеет длину 160 бит.

ГОСТ Р34.11-94. Российский алгоритм. Длина свертки - 256 бит (очень удобно для формирования по паролю ключа для ГОСТ 28147-89).

Национальный институт стандартов и технологий (НИСТ) США на своем веб-сайте http://www.nist.gov/sha/ опубликовал спецификации новых алгоритмов хеширования SHA-256, SHA-384 и SHA-512, цель которых - обеспечить уровень криптостойкости хэша, соответствующий длинам ключей нового стандарта шифрования DES.

Напомним, что n-битный хэш - это отображение сообщения произвольной длины в n-битную псевдослучайную последовательность (хэш-значение). Криптографический хэш, как особая разновидность такой функции, это n-битный хэш, обладающий свойствами «однонаправленности» и «стойкости к коллизиям».

До настоящего времени наиболее популярными хеш-функциями были созданные Райвистом MD4 и MD5, генерирующие хэш-коды длиной n=128, и алгоритм SHA-1, разработанный в АНБ США и порождающий хэш-код длиной n=160.

ГОСТ Р34.10-94 «Процедуры выработки и проверки электронной цифровой подписи на базе асимметричного криптографического алгоритма».

Приложений.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Для того, чтобы хеш-функция H считалась криптографически стойкой, она должна удовлетворять трём основным требованиям, на которых основано большинство применений хеш-функций в криптографии:

  Данные требования не являются независимыми:

  • Обратимая функция нестойка к коллизиям первого и второго рода.
  • Функция, нестойкая к коллизиям первого рода, нестойка к коллизиям второго рода; обратное неверно.

  Принципы построения

  Итеративная последовательная схема

  При проектировании хеш-функций на основе итеративной схемы возникает проблема с размером входного потока данных. Размер входного потока данных должен быть кратен (k − n ) . Как правило, перед началом алгоритма данные расширяются неким, заранее известным, способом.

  Помимо однопроходных алгоритмов, существуют многопроходные алгоритмы, в которых ещё больше усиливается лавинный эффект. В этом случае данные сначала повторяются, а потом расширяются до необходимых размеров.

  Сжимающая функция на основе симметричного блочного алгоритма

  В качестве сжимающей функции можно использовать симметричный блочный алгоритм шифрования. Для обеспечения большей безопасности можно использовать в качестве ключа блок данных, предназначенный к хешированию на данной итерации, а результат предыдущей сжимающей функции - в качестве входа. Тогда результатом последней итерации будет выход алгоритма. В таком случае безопасность хеш-функции базируется на безопасности используемого алгоритма.

  Обычно при построении хеш-функции используют более сложную систему. Обобщённая схема симметричного блочного алгоритма шифрования изображена на рис. 2.

  Таким образом, мы получаем 64 варианта построения сжимающей функции. Большинство из них являются либо тривиальными, либо небезопасными. Ниже изображены четыре наиболее безопасные схемы при всех видах атак.

  Применения

  Электронная подпись

  Пусть некий клиент, с именем name , производит аутентификацию по парольной фразе, pass , на некоем сервере. На сервере хранится значение хеш-функции H (pass , R 2) , где R 2 - псевдослучайное, заранее выбранное число. Клиент посылает запрос (name , R 1 ), где R 1 - псевдослучайное, каждый раз новое число. В ответ сервер посылает значение R 2 . Клиент вычисляет значение хеш-функции H (R 1 , H (pass , R 2)) и посылает его на сервер. Сервер также вычисляет значение H (R 1 , H (pass , R 2)) и сверяет его с полученным. Если значения совпадают - аутентификация верна.

  Для решения задачи поиска необходимого элемента среди данных большого объема был предложен алгоритм хеширования (hashing – перемешивание), при котором создаются ключи, определяющие данные массива и на их основании данные записываются в таблицу, названную хеш-таблицей . Ключи для записи определяются при помощи функции i = h (key ) , называемой хеш-функцией . Алгоритм хеширования определяет положение искомого элемента в хеш-таблице по значению его ключа, полученного хеш-функцией.

  Понятие хеширования– это разбиение общего (базового) набора уникальных ключей элементов данных на непересекающиеся наборы с определенным свойством.

  Возьмем, например, словарь или энциклопедию. В этом случае буквы алфавита могут быть приняты за ключи поиска, т.е. основным элементом алгоритма хеширования является ключ (key ). В большинстве приложений ключ обеспечивает косвенную ссылку на данные.

  Фактически хеширование – это специальный метод адресации данных для быстрого поиска нужной информации по ключам .

  Если базовый набор содержит N элементов, то его можно разбить на 2 N различных подмножеств.

  Хеш-таблица и хеш-функции

  Функция, отображающая ключи элементов данных во множество целых чисел (индексы в таблице – хеш-таблица ), называется функцией хеширования , или хеш-функцией :

  i = h (key );

  где key – преобразуемый ключ, i – получаемый индекс таблицы, т.е. ключ отображается во множество целых чисел (хеш-адреса ), которые впоследствии используются для доступа к данным.

  Однако хеш-функция для нескольких значений ключа может давать одинаковое значение позиции i в таблице. Ситуация, при которой два или более ключа получают один и тот же индекс (хеш-адрес), называется коллизией при хешировании.

  Хорошей хеш-функцией считается такая функция, которая минимизирует коллизии и распределяет данные равномерно по всей таблице, а совершенной хеш-функцией – функция, которая не порождает коллизий:

  Разрешить коллизии при хешировании можно двумя методами:

  – методом открытой адресации с линейным опробыванием;

  – методом цепочек.

  Хеш-таблица

  Хеш-таблица представляет собой обычный массив с необычной адресацией, задаваемой хеш-функцией.

  Хеш-структуру считают обобщением массива, который обеспечивает быстрый прямой доступ к данным по индексу.

  Имеется множество схем хеширования, различающихся как выбором удачной функции h (key ), так и алгоритма разрешения конфликтов. Эффективность решения реальной практической задачи будет существенно зависеть от выбираемой стратегии.

  Примеры хеш-функций

  Выбираемая хеш-функция должна легко вычисляться и создавать как можно меньше коллизий, т.е. должна равномерно распределять ключи на имеющиеся индексы в таблице. Конечно, нельзя определить, будет ли некоторая конкретная хеш-функция распределять ключи правильно, если эти ключи заранее не известны. Однако, хотя до выбора хеш-функции редко известны сами ключи, некоторые свойства этих ключей, которые влияют на их распределение, обычно известны. Рассмотрим наиболее распространенные методы задания хеш-функции.

  Метод деления . Исходными данными являются – некоторый целый ключ key и размер таблицы m . Результатом данной функции является остаток от деления этого ключа на размер таблицы. Общий вид функции:

  int h(int key, int m) {

  return key % m; // Значения

  Для m = 10 хеш-функция возвращает младшую цифру ключа.

  

  Для m = 100 хеш-функция возвращает две младшие цифры ключа.

  

  Аддитивный метод , в котором ключом является символьная строка. В хеш-функции строка преобразуется в целое суммированием всех символов и возвращается остаток от деления на m (обычно размер таблицы m = 256).

  int h(char *key, int m) {

  Коллизии возникают в строках, состоящих из одинакового набора символов, например, abc и cab .

  Данный метод можно несколько модифицировать, получая результат, суммируя только первый и последний символы строки-ключа.

  int h(char *key, int m) {

  int len = strlen(key), s = 0;

  if(len < 2) // Если длина ключа равна 0 или 1,

  s = key; // возвратить key

  s = key + key;

  В этом случае коллизии будут возникать только в строках, например, abc и amc .

  Метод середины квадрата , в котором ключ возводится в квадрат (умножается сам на себя) и в качестве индекса используются несколько средних цифр полученного значения.

  Например, ключом является целое 32-битное число, а хеш-функция возвращает средние 10 бит его квадрата:

  int h(int key) {

  key >>= 11; // Отбрасываем 11 младших бит

  return key % 1024; // Возвращаем 10 младших бит

  Метод исключающего ИЛИ для ключей-строк (обычно размер таблицы m =256). Этот метод аналогичен аддитивному, но в нем различаются схожие слова. Метод заключается в том, что к элементам строки последовательно применяется операция «исключающее ИЛИ».

  В мультипликативном методе дополнительно используется случайное действительное число r из интервала . Если это произведение умножить на размер таблицы m , то целая часть полученного произведения даст значение в диапазоне от 0 до m –1.

  int h(int key, int m) {

  double r = key * rnd();

  r = r – (int)r; // Выделили дробную часть

  В общем случае при больших значениях m индексы, формируемые хеш-функцией, имеют большой разброс. Более того, математическая теория утверждает, что распределение получается более равномерным, если m является простым числом.

  В рассмотренных примерах хеш-функция i = h (key ) только определяет позицию, начиная с которой нужно искать (или первоначально – поместить в таблицу) запись с ключом key . Поэтому схема хеширования должна включать алгоритм решения конфликтов , определяющий порядок действий, если позиция i = h (key ) оказывается уже занятой записью с другим ключом.

  Хэш-функция - это функция, преобразующая данные (файл или документ) в краткий цифровой код.

  Например, преобразует текст
  "Северный филиал РГУИТП"
  в код
  745
  

  Хеш похож на массив, что представляет собой набор скалярных данных, отдельные элементы которого выбираются по индексному значению. В отличие от массива, индексные значения хеша - не малые неотрицательные целые, а произвольные скаляры. Эти скаляры (называемые ключами) используются для выборки значений из массива.

  Элементы хеша не стоят в каком-то конкретном порядке. Можете рассматривать их как стопку библиографических карточек. Верхняя половина каждой карточки - это ключ, а нижняя - значение. Каждый раз, когда вы помещаете в хеш значение, создается новая карточка. Когда нужно изменить значение, вы указываете ключ, и Perl находит необходимую карточку. Поэтому порядок карточек, по сути дела, роли не играет. Perl хранит все карточки (т.е. пары ключ-значение) в особом внутреннем порядке, который облегчает поиск конкретной карточки, поэтому при поиске не приходится просматривать все пары. Порядок хранения карточек изменять нельзя, так что даже и не пытайтесь.

  Хэш-функция предназначена для сжатия подписываемого документа М до нескольких десятков или сотен бит. Хэш-функция h( ) принимает в качестве аргумента сообщение (документ) М произвольной длины и возвращает хэш-значение h(М)=Н фиксированной длины. Обычно хэшированная информация является сжатым двоичным представлением основного сообщения произвольной длины. Следует отметить, что значение хэш-функции h(М) сложным образом зависит от документа М и не позволяет восстановить сам документ М.

  Хэш-функция должна удовлетворять целому ряду условий:

  хэш-функция должна быть чувствительна к всевозможным изменениям в тексте М, таким как вставки, выбросы, перестановки и т.п.;

  хэш-функция должна обладать свойством необратимости, то есть задача подбора документа М", который обладал бы требуемым значением хэш-функции, должна быть вычислительно неразрешима;

  вероятность того, что значения хэш-функций двух различных документов (вне зависимости от их длин) совпадут, должна быть ничтожно мала.

  Например, сумма значений ASCII-кодов символов - 65(A)+66(B)+67(С)=198. В идеале значение хэш-функции должно быть уникальным, т.е. число 198 должно возвращаться лишь для ABC. На практике это достигается далеко не всегда (случаЙ, когда две разные последовательности символов имеют один и тот же хэш, зовутся коллизией). Иногда на хэш-функцию налагают условие необратимости : т.е. по значению нельзя восстановить исходную строку. Классический пример такой функции: MD5, которую используют для проверки целостности скачанных ISO-образов. Для MD5 и подобных коллизии - явление очень негативное: оно снижает "степень необратимости" хэш-функции и позволяет, например, подобрать пароль, зная его MD5-хэш.
  Криптографические хэш-функции разделяются на два класса:

  Хэш-функции без ключа (MDC (Modification (Manipulation) Detect Code) - коды),

  - хэш - функции c ключом (MАC (Message Authentication Code) - коды).

  Хэш-функции без ключа разделяются на два подкласса:

  Слабые хэш-функции,

  Сильные хэш-функции.

  Слабой хэш-функцией назывется односторонняя функция H(x), удовлетворяющая следующим условиям:

  1) аргумент х может быть строкой бит произвольной длины;

  2) значение H(x) должно быть строкой бит фиксированной длины;

  3) значение H(x) легко вычислить;

  4) для любого фиксированного x вычислительно невозможно найти другой