Java哈希算法 - 技术栈

哈希算法

哈希算法

哈希算法

1.概述

哈希算法（Hash）又称摘要算法（Digest），它的作用是：对任意一组输入数据进行计算，得到一个固定长度的输出摘要。

哈希算法最重要的特点就是：

● 相同的输入一定得到相同的输出；

● 不同的输入大概率得到不同的输出。

所以，哈希算法的目的：为了验证原始数据是否被篡改。

Java字符串的hashCode()就是一个哈希算法，它的输入是任意字符串，输出是固定的4字节int整数：

java 复制代码

"hello".hashCode(); // 0x5e918d2
"hello, java".hashCode(); // 0x7a9d88e8
"hello, bob".hashCode(); // 0xa0dbae2f

两个相同的字符串永远会计算出相同的hashCode，否则基于hashCode定位的HashMap就无法正常工作。这也是为什么当我们自定义一个class时，覆写equals()方法时我们必须正确覆写hashCode()方法。

2.哈希碰撞

哈希碰撞是指：两个不同的输入得到了相同的输出。

例如：

java 复制代码

"AaAaAa".hashCode(); // 0x7460e8c0
"BBAaBB".hashCode(); // 0x7460e8c0

"通话".hashCode(); // 0x11ff03
"重地".hashCode(); // 0x11ff03

碰撞能不能避免？答案是不能。碰撞是一定会出现的，因为输出的字节长度是固定的，String的hashCode()输出是4字节整数，最多只有4294967296种输出，但输入的数据长度是不固定的，有无数种输入。所以，哈希算法是把一个无限的输入集合映射到一个有限的输出集合，必然会产生碰撞。

碰撞不可怕，我们担心的不是碰撞，而是碰撞的概率，因为碰撞概率的高低关系到哈希算法的安全性。一个安全的哈希算法必须满足：

● 碰撞概率低；

● 不能猜测输出。

不能猜测输出是指：输入的任意一个bit的变化会造成输出完全不同，这样就很难从输出反推输入（只能依靠暴力穷举）。

假设一种哈希算法有如下规律：

java 复制代码

hashA("java001") = "123456"
hashA("java002") = "123457"
hashA("java003") = "123458"

那么很容易从输出123459反推输入，这种哈希算法就不安全。安全的哈希算法从输出是看不出任何规律的：

java 复制代码

hashB("java001") = "123456"
hashB("java002") = "580271"
hashB("java003") = ???

3.常用的哈希算法

哈希算法，根据碰撞概率，哈希算法的输出长度越长，就越难产生碰撞，也就越安全。

常用的哈希算法有：

算法	输出长度(位)	输出长度(字节)
MD5	128 bits	16 bytes
SHA-1	160 bits	20 bytes
RipeMD-160	160 bits	20 bytes
SHA-256	256 bits	32 bytes
SHA-512	512 bits	64 bytes

Java标准库提供了常用的哈希算法，通过统一的接口进行调用。以MD5算法为例，看看如何对输入内容计算哈希：

java 复制代码

import java.security.MessageDigest;

public class main {
	public static void main(String[] args)  {
		// 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
       
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        
        // 16 bytes: 68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6
        byte[] results = md.digest(); 

        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for(byte bite : results) {
        	sb.append(String.format("%02x", bite));
        }
        
        System.out.println(sb.toString());
	}
}

使用MessageDigest时，我们首先根据哈希算法获取一个MessageDigest实例，然后，反复调用update(byte[])输入数据。当输入结束后，调用digest()方法获得byte[]数组表示的摘要，最后，把它转换为十六进制的字符串。

运行上述代码，可以得到输入HelloWorld的MD5是68e109f0f40ca72a15e05cc22786f8e6。

4.哈希算法的用途

4.1校验下载文件

因为相同的输入永远会得到相同的输出，因此，如果输入被修改了，得到的输出就会不同。我们在网站上下载软件的时候，经常看到下载页显示的MD5哈希值：

如何判断下载到本地的软件是原始的、未经篡改的文件？我们只需要自己计算一下本地文件的哈希值，再与官网公开的哈希值对比，如果相同，说明文件下载正确，否则，说明文件已被篡改。

4.2存储用户密码

哈希算法的另一个重要用途是存储用户口令。如果直接将用户的原始口令存放到数据库中，会产生极大的安全风险：

● 数据库管理员能够看到用户明文口令；

● 数据库数据一旦泄漏，黑客即可获取用户明文口令。

username	password
admin	admin
user	user
tim	tim

不存储用户的原始口令，那么如何对用户进行认证？方法是存储用户口令的哈希，例如，MD5。在用户输入原始口令后，系统计算用户输入的原始口令的MD5并与数据库存储的MD5对比，如果一致，说明口令正确，否则，口令错误。

因此，数据库存储用户名和口令的表内容应该像下面这样：

username	password
admin	25f9e794323b453885f5181f1b624d0b
user	73a90acaae2b1ccc0e969709665bc62f
tim	19f9f30bd097d4c066d758fb01b75032

这样一来，数据库管理员看不到用户的原始口令。即使数据库泄漏，黑客也无法拿到用户的原始口令。想要拿到用户的原始口令，必须用暴力穷举的方法，一个口令一个口令地试，直到某个口令计算的MD5恰好等于指定值。

使用哈希口令时，还要注意防止彩虹表攻击。

什么是彩虹表呢？上面讲到了，如果只拿到MD5，从MD5反推明文口令，只能使用暴力穷举的方法。然而黑客并不笨，暴力穷举会消耗大量的算力和时间。但是，如果有一个预先计算好的常用口令和它们的MD5的对照表，这个表就是彩虹表。如果用户使用了常用口令，黑客从MD5一下就能反查到原始口令：

常用口令	MD5
hello123	f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1
12345678	25d55ad283aa400af464c76d713c07ad
...	...

这就是为什么不要使用常用密码，以及不要使用生日作为密码的原因。

当然，我们也可以采取特殊措施来抵御彩虹表攻击：对每个口令额外添加随机数，这个方法称之为加盐（salt）：

digest = md5(salt + inputPassword)

经过加盐处理的数据库表，内容如下：

username	salt	password
bob	H1r0a	a5022319ff4c56955e22a74abcc2c210
alice	7$p2w	e5de688c99e961ed6e560b972dab8b6a
tim	z5Sk9	1eee304b92dc0d105904e7ab58fd2f64

复制代码

public class Demo05 {
	public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, IOException {
		byte[] password = "liyupiicu@com".getBytes();
		MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
		md5.update(password);

		// 产生随机盐值
		String uuid = UUID.randomUUID().toString().substring(16);
		md5.update(uuid.getBytes());
		// 获取消息摘要对象进行加密
		byte[] digetByte = md5.digest();
		System.out.println(Arrays.toString(digetByte));
		System.out.println(Demo03.byteToHex(digetByte));
		System.out.println(digetByte.length);
	}
}

MD5加密

Demo01

java 复制代码

public class Demo01 {
	public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
		// 创建一个MessageDigest实例:
		MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");

		byte[] bytes = "测试测试测试".getBytes();

		// 反复调用update输入数据:
		md.update(bytes);

		// 加密:查看内容
		byte[] result = md.digest();
		System.out.println(result.length);
		System.out.println(Arrays.toString(result));
	}
}

Demo02

java 复制代码

public class Demo02 {
	public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
		// 获取消息摘要对象
		MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
		byte[] b = "我本将心照明月".getBytes();

		// 数据量小使用信息加密md5.digest(b)
//		byte[] result = md5.digest(b);
//		System.out.println("加密前:" + Arrays.toString(b));
//		System.out.println("加密后:" + Arrays.toString(result));
//		System.out.println("加密后长度:" + result.length);

		// 数据量大使用md5.update(b)加密
		md5.update(b);
		md5.update("爪爪吃蒸饺".getBytes());
		md5.update("蒸米粉肉".getBytes());
		
		//加密,查看内容
		byte[] result=md5.digest();
		
		System.out.println("加密前:" + Arrays.toString(b));
		System.out.println("加密后:" + Arrays.toString(result));
		System.out.println("加密后长度:" + result.length);
	}
}

Demo03

kava 复制代码

public class Demo03 {
	public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
		String password = "wbjxxmy";
		byte[] bytepassword = password.getBytes();
		// 获取消息摘要对象
		MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
		// 反复添加需要加密的内容
		md5.update(bytepassword);
		// 加密
		byte[] digestpassword = md5.digest();

		System.out.println(Arrays.toString(bytepassword));
		System.out.println("加密后数组信息:" + Arrays.toString(digestpassword));
		System.out.println("加密后16进制字符串信息:" + byteToHex(digestpassword));
	}

	public static String byteToHex(byte[] digestpassword) {
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		for (byte b : digestpassword) {
			sb.append(String.format(",%02x", b));
		}
		return sb.toString();
	}
}

Demo04

md5算法对图片进行加密

java 复制代码

//md5算法对图片进行加密
public class Demo04 {
	public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, IOException {
		byte[] image = Files.readAllBytes(Paths.get("E:\\apesourcefile\\maomao.jpg"));

		MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");

		md5.update(image);

		byte[] result = md5.digest();
		System.out.println(Arrays.toString(result));
		System.out.println(Demo03.byteToHex(result));
//		06203919a4288aafd95b78964386f0fd
//		06203919a4288aafd95b78964386f0fd
	}
}

5.SHA-1加密

SHA-1也是一种哈希算法，它的输出是160 bits，即20字节。SHA-1是由美国国家安全局开发的，SHA算法实际上是一个系列，包括SHA-0（已废弃）、SHA-1、SHA-256、SHA-512等。

在Java中使用SHA-1，和MD5完全一样，只需要把算法名称改为"SHA-1"：

java 复制代码

import java.security.MessageDigest;

public class main {
	public static void main(String[] args)  {
		// 创建一个MessageDigest实例:
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
       
        // 反复调用update输入数据:
        md.update("Hello".getBytes("UTF-8"));
        md.update("World".getBytes("UTF-8"));
        
        // 20 bytes: db8ac1c259eb89d4a131b253bacfca5f319d54f2
        byte[] results = md.digest(); 

        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for(byte bite : results) {
        	sb.append(String.format("%02x", bite));
        }
        
        System.out.println(sb.toString());
	}
}

类似的，计算SHA-256，我们需要传入名称"SHA-256"，计算SHA-512，我们需要传入名称"SHA-512"。Java标准库支持的所有哈希算法可以在这里https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/docs/specs/security/standard-names.html#messagedigest-algorithms查到。

sha-1加密和md5加密

注意:md5加密长度为32位，sha-1加密长度为40位。

java 复制代码

public class Demo06 {
	public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
		byte[] password = "爪爪吃蒸饺".getBytes();
		// md5加密
		String resultMd5 = HashUtlis.messageMD5(password);
		// sha-1加密
		String resultSha1 = HashUtlis.messageSHA1(password);
		System.out.println("md5加密后为" + resultMd5);
		System.out.println("Sha1加密后为" + resultSha1);
		char[] r1 = resultMd5.toCharArray();
		char[] r2 = resultSha1.toCharArray();
		System.out.println(r1.length);
		System.out.println(r2.length);
	}
}

小结：

哈希算法可用于验证数据完整性，具有防篡改检测的功能；

● 常用的哈希算法有MD5、SHA-1等；

● 用哈希存储口令时要考虑彩虹表攻击。