哈希算法：密码学的基础构件

哈希算法是密码学中最基础的构件之一。

它可以把任意长度的数据映射成固定长度的摘要。例如，SHA-256 可以输出 32 字节摘要。

在嵌入式系统中，哈希算法常用于：

固件完整性校验；
消息摘要；
证书摘要；
配置参数校验；
密钥派生；
日志防篡改链。

需要注意的是，Hash 可以发现数据变化，但不能单独证明数据来源。

关键词	工程含义
Hash / 摘要	Hash 发现数据变化，但不能单独证明数据来源。

1. 哈希是什么

哈希算法，也叫摘要算法。

它的作用是把一段任意长度的数据，经过计算后，生成一个固定长度的摘要值。

例如：

复制代码

输入数据：firmware.bin
哈希算法：SHA-256
输出摘要：32 字节 Hash 值

无论输入数据是几 KB、几 MB，还是几十 MB，SHA-256 最终都会输出固定的 32 字节摘要。

因此，Hash 可以理解为数据的"指纹"。

只要原始数据发生变化，摘要值就会随之变化。

2. 哈希的基本特性

一个安全的哈希算法通常应具备以下特性。

2.1 容易计算

给定一段输入数据，计算它的 Hash 应该是高效、可实现的。

这对嵌入式系统很重要，因为 MCU 的主频、RAM 和 Flash 资源通常比较有限。

2.2 不可逆

从原始数据计算 Hash 很容易，但从 Hash 反推出原始数据在计算上不可行。

也就是说：

复制代码

数据 → Hash：容易
Hash → 数据：困难

因此，Hash 不是加密。

加密通常可以通过密钥解密还原明文，而 Hash 是单向函数，正常情况下不能还原原文。

2.3 雪崩效应

原文只要发生很小变化，输出摘要也会发生明显变化。

例如，固件中只修改 1 个字节，最终得到的 Hash 也会完全不同。

这使得 Hash 非常适合用于判断数据是否发生变化。

2.4 抗碰撞

理想情况下，很难找到两个不同的输入，使它们得到相同的 Hash 值。

如果两个不同固件能得到相同摘要，就会破坏完整性校验的可靠性。

因此，在安全设计中，应选择当前仍被认为安全的哈希算法，例如 SHA-256，而不是 MD5、SHA-1 这类已经不适合作为安全用途的算法。

3. 哈希能做什么

在嵌入式系统中，Hash 的应用非常广。

3.1 固件镜像校验

设备可以对应用固件计算 Hash，用于判断固件内容是否发生变化。

例如：

复制代码

Bootloader 读取 App 固件
Bootloader 计算 App Hash
Bootloader 对比期望 Hash

如果 Hash 不一致，说明固件内容可能被破坏或被篡改。

3.2 升级包完整性检查

OTA 或本地升级包下载完成后，可以先计算升级包 Hash，判断下载过程是否出错。

这可以发现：

传输错误；
存储损坏；
文件不完整；
数据被修改。

但是，如果只校验 Hash，而不验证签名，仍然不能证明升级包来自官方。

3.3 文件摘要和配置参数校验

Hash 可以用于配置参数、校准参数、生产参数的摘要计算。

例如：

出厂校准参数；
传感器补偿参数；
设备配置文件；
生产序列号表；
授权配置表。

系统启动时重新计算 Hash，可以判断这些数据是否被修改。

3.4 证书内容摘要

在证书链、数字签名和安全通信中，Hash 经常作为基础步骤。

通常不会直接对完整大文件做签名，而是先计算数据 Hash，再对 Hash 进行签名。

这样可以降低计算量，也便于统一处理固定长度的数据摘要。

3.5 日志防篡改链

Hash 还可以用于构建日志防篡改链。

例如，每条日志不仅包含当前事件内容，还包含上一条日志的 Hash。

复制代码

Log_1_Hash = Hash(Log_1)
Log_2_Hash = Hash(Log_2 + Log_1_Hash)
Log_3_Hash = Hash(Log_3 + Log_2_Hash)

这样一旦中间某条日志被修改，后续 Hash 链都会不一致。

不过，如果要防止攻击者整体重算日志链，还需要结合密钥、MAC、签名或安全存储。

4. 安全启动中的 Hash

在安全启动中，Hash 通常不是单独使用，而是和数字签名一起使用。

典型流程如下：

Bootloader 读取应用固件；
计算应用固件的 Hash；
读取固件签名；
使用内置公钥验证签名；
判断签名中的 Hash 是否与当前固件 Hash 一致；
验证通过后，才允许跳转到应用程序。

这里的关键点是：

Hash 判断固件有没有变化；

签名证明这个 Hash 是否来自合法发布方。

如果只有 Hash，没有签名，攻击者修改固件后也可以重新计算 Hash。

因此，安全启动不能只依赖 Hash 校验。

5. 哈希不能做什么

Hash 很重要，但它不是万能的。

5.1 单独 Hash 不能证明数据来源

Hash 只能证明：

当前数据和摘要是否匹配。

它不能证明：

摘要本身是不是可信的。

如果攻击者修改数据后，重新计算一个新的 Hash，并把新 Hash 一起发给设备，那么接收方仍然可能被骗。

所以，单独 Hash 不能证明数据是谁发来的。

5.2 Hash 不能替代认证

认证要解决的是：

对方是否拥有合法密钥或私钥？

Hash 本身没有密钥参与，任何人都可以计算。

因此，它不能用于证明设备身份，也不能证明升级包来自官方发布方。

工程上需要使用：

MAC；
HMAC；
数字签名；
证书链；
挑战响应。

这些机制才能建立身份可信。

5.3 Hash 不能替代加密

Hash 是单向摘要，不是加密算法。

它不能用于还原原文，也不能保护明文内容不被别人读取。

如果数据内容本身需要保密，应使用加密算法，例如：

AES；
ECC 密钥交换 + 会话密钥；
TLS / DTLS；
加密 Flash；
加密升级包。

6. 与 CRC 的区别

CRC 和 Hash 都可以发现数据变化，但它们的安全属性不同。

对比项	CRC	Hash
主要用途	检测通信误码、存储误码	数据摘要、完整性基础构件
是否密码学安全	否	取决于算法，例如 SHA-256 是安全哈希算法
是否抗恶意篡改	否	单独使用仍不够，需要结合 MAC 或签名
是否容易被重新计算	容易	也可以被重新计算
是否能证明来源	不能	不能
典型场景	通信帧校验、Flash 数据误码检测	固件摘要、证书摘要、安全启动、签名输入

CRC 主要用于检测随机错误，例如通信误码、存储损坏和数据传输异常。

它算法简单、速度快，非常适合底层通信协议。

但是，CRC 不是密码学安全算法。

攻击者可以修改数据后重新计算 CRC，使接收方误以为数据没有变化。

7. 为什么不能用 CRC 替代 Hash 或签名

在安全设计中，不能用 CRC 替代 Hash，更不能用 CRC 替代签名。

原因是：

CRC 设计目标是检测随机误码，不是抵抗恶意攻击；
CRC 没有抗碰撞安全性；
CRC 没有密钥参与；
CRC 很容易被攻击者重新计算；
CRC 不能证明数据来源；
CRC 不能证明固件来自官方发布方。

因此：

CRC 适合做通信可靠性校验；

Hash 适合做安全摘要基础；

MAC / 数字签名才适合做可信验证。

8. 工程判断方法

在项目中，可以用下面几个问题判断是否应该使用 Hash，以及是否还需要进一步安全机制。

8.1 只是为了发现随机错误吗？

如果只是为了发现通信误码、Flash 读写错误或数据包损坏，CRC 通常就够用。

8.2 是否要判断数据有没有被恶意修改？

如果需要抵抗恶意修改，单独 CRC 不够，应至少考虑 Hash，并进一步结合 MAC 或数字签名。

8.3 是否要证明数据来自合法对象？

如果需要证明来源，单独 Hash 也不够，应使用：

HMAC；
MAC；
数字签名；
证书链。

8.4 是否要保护数据内容不被读取？

如果需要隐藏内容，Hash 不够，应使用加密机制。

9. 嵌入式工程示例

示例 1：Bootloader 校验 App

普通可靠性校验：

复制代码

Bootloader 计算 App CRC
CRC 正确 → 跳转 App

这种方式可以发现 Flash 损坏，但不能防止攻击者替换 App 后重算 CRC。

安全启动设计：

复制代码

Bootloader 计算 App Hash
Bootloader 使用公钥验证 App 签名
签名正确 → 跳转 App
签名失败 → 拒绝启动

这才可以证明 App 来自合法发布方，并且没有被篡改。

示例 2：升级包下载

普通下载校验：

复制代码

下载升级包
计算 CRC / Hash
判断文件是否下载完整

安全升级校验：

复制代码

下载升级包
计算升级包 Hash
验证升级包签名
检查版本号和防回滚计数器
验证通过后写入 Flash

Hash 负责发现内容变化，签名负责证明升级包来源。

示例 3：配置参数保护

如果只是防止掉电写坏或 Flash 位翻转，可以使用 CRC。

如果要防止用户或攻击者私自修改配置参数，则应使用：

Hash + 签名；
HMAC；
安全存储；
权限控制；
参数版本号；
防回滚计数器。

10. 工程总结

Hash 解决的是：

数据有没有变。

但 Hash 不解决：

数据是谁发来的；

数据是否来自合法发布方；

数据内容是否需要隐藏。

因此，工程上通常要把 Hash 与密钥、MAC、HMAC 或数字签名结合使用。

简单来说：

CRC 解决随机误码；

Hash 解决数据摘要；

MAC / 签名解决可信来源；

加密解决内容保密。

在嵌入式安全设计中，Hash 是基础构件，但不是完整方案。