哈希值（Hash）是什么意思？哈希值的原理、常见算法和用途

哈希值（Hash）是一种将任意长度的数据转换为固定长度的数据的方法，也称为哈希函数、散列函数或摘要函数。哈希值的特点是不可逆、唯一、敏感和高效，即从哈希值无法恢复原始数据，不同的原始数据产生不同的哈希值，原始数据的微小变化会导致哈希值的巨大变化，以及计算哈希值的速度很快。哈希值的应用非常广泛，主要有三个方面：文件校验、数字签名和鉴权协议。本文将介绍哈希值的原理、常见算法和用途，以及它们之间的区别和联系。

哈希值的原理

哈希值的原理是将原始数据通过一个公开的数学函数进行转换，得到一个固定长度的输出，这个输出就是哈希值。哈希函数的设计要遵循以下几个原则：

- 不可逆性：从哈希值无法推导出原始数据，即使知道哈希函数的算法和参数，也无法通过逆向运算或者穷举法找到原始数据。

- 唯一性：不同的原始数据产生不同的哈希值，即使原始数据的长度和内容相似，也不会导致哈希值的重复或者冲突。

- 敏感性：原始数据的微小变化会导致哈希值的巨大变化，即使原始数据只改变了一个比特，也会使得哈希值完全不同。

- 高效性：计算哈希值的速度很快，即使原始数据的长度很大，也不会影响哈希值的计算时间和复杂度。

哈希值的常见算法

哈希值的常见算法有很多，其中最著名的有MD5、SHA-1、SHA-2和SHA-3等，它们的主要区别在于哈希值的长度、哈希函数的结构和安全性等方面。

MD5

MD5（Message-Digest Algorithm 5，消息摘要算法5）是一种广泛使用的哈希算法，它可以将任意长度的数据转换为128位的哈希值。MD5的算法步骤如下：

- 将原始数据按照512位分组，如果最后一组不足512位，则进行填充，使得数据的总长度能够被512整除。

- 在数据的末尾添加一个64位的长度值，表示原始数据的长度（以比特为单位）。

- 初始化四个32位的寄存器，分别记为A、B、C和D，赋予初始值，这些值是用圆周率的小数部分表示的。

- 对每个分组进行四轮操作，每轮包含16次迭代，每次迭代对A、B、C和D中的其中三个进行非线性函数运算，然后将所得结果加上分组的一个子分组、一个常数和一个循环左移的位数，再将结果赋给另一个寄存器。

- 将每个分组最后得到的A、B、C和D的值相加，得到最终的哈希值。

SHA-1

SHA-1（Secure Hash Algorithm 1，安全散列算法1）是一种由美国国家安全局设计的哈希算法，它可以将任意长度的数据转换为160位的哈希值。SHA-1的算法步骤如下：

- 将原始数据按照512位分组，如果最后一组不足512位，则进行填充，使得数据的总长度能够被512整除。

- 在数据的末尾添加一个64位的长度值，表示原始数据的长度（以比特为单位）。

- 初始化五个32位的寄存器，分别记为A、B、C、D和E，赋予初始值，这些值是用平方根的小数部分表示的。

- 对每个分组进行四轮操作，每轮包含20次迭代，每次迭代对A、B、C、D和E中的其中四个进行非线性函数运算，然后将所得结果加上分组的一个子分组、一个常数和一个循环左移的位数，再将结果赋给另一个寄存器。

- 将每个分组最后得到的A、B、C、D和E的值相加，得到最终的哈希值。

SHA-2

SHA-2（Secure Hash Algorithm 2，安全散列算法2）是一种由美国国家安全局设计的哈希算法，它是对SHA-1的改进，可以将任意长度的数据转换为224位、256位、384位或512位的哈希值。SHA-2的算法步骤如下：

- 将原始数据按照512位或1024位分组，如果最后一组不足，则进行填充，使得数据的总长度能够被512或1024整除。

- 在数据的末尾添加一个64位或128位的长度值，表示原始数据的长度（以比特为单位）。

- 初始化八个32位或64位的寄存器，分别记为A、B、C、D、E、F、G和H，赋予初始值，这些值是用立方根的小数部分表示的。

- 对每个分组进行八轮操作，每轮包含16次迭代，每次迭代对A、B、C、D、E、F、G和H中的其中七个进行非线性函数运算，然后将所得结果加上分组的一个子分组、一个常数和一个循环右移的位数，再将结果赋给另一个寄存器。

- 将每个分组最后得到的A、B、C、D、E、F、G和H的值相加，得到最终的哈希值。

SHA-3

SHA-3（Secure Hash Algorithm 3，安全散列算法3）是一种由比利时密码学家设计的哈希算法，它是对SHA-2的替代，可以将任意长度的数据转换为224位、256位、384位或512位的哈希值。SHA-3的算法步骤如下：

- 将原始数据按照1088位、832位、576位或256位分组，如果最后一组不足，则进行填充，使得数据的总长度能够被1088、832、576或256整除。

- 初始化一个1600位的状态数组，分为5×5的二维数组，每个元素为64位，赋予初始值为0。

- 对每个分组进行24轮操作，每轮包含五个步骤，分别为置换、异或、旋转、取反和加法，每个步骤都对状态数组中的所有元素进行变换。

- 将状态数组的前224位、256位、384位或512位作为最终的哈希值。

哈希值的用途

哈希值的用途非常广泛，主要有以下三个方面：

- 文件校验：哈希值可以用于检验文件的完整性和一致性，防止文件在传输或存储过程中被篡改或损坏。例如，从网上下载的很多文件，都会提供一个MD5或SHA-1的哈希值，用于校验下载数据的正确性，避免数据在中途被劫持或损坏。

- 数字签名：哈希值可以用于实现数字签名，保证数字内容的真实性和不可否认性。数字签名是一种利用非对称加密技术，将原始数据的哈希值用私钥加密，然后附在原始数据上的一种认证方法。接收者可以用公钥解密哈希值，然后与原始数据的哈希值进行比较，以验证数据的来源和完整性。

- 鉴权协议：哈希值可以用于实现鉴权协议，保证用户或设备的身份和权限。鉴权协议是一种利用哈希函数和随机数，实现双方或多方之间的安全通信的一种协议。例如，密码学散列函数消息认证码（HMAC）是一种利用哈希函数和密钥，生成一个消息认证码（MAC）的一种方法，用于验证消息的完整性和身份 。

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