前言
最近在看一些NPM庫的時候總是看到各種哈希簽名算法，之前工作中也有用到過簽名算法，但並沒有深入理解過其中的原理，於是找了點資料稍微瞭解了一下，總結了這篇文章。
哈希摘要算法
哈希函數（也稱散列函數），是一種根據任意長度數據計算出固定簽名長度的算法，比如MD5，SHA系列。
哈希簽名摘要算法特點
- 不是加密算法，而是一種摘要算法
- 不可逆，“單向”函數
- 簽名長度固定
- 存在2的N次方種結果，N表示簽名長度
以MD5爲例
MD5是由美國密碼學家羅納德·李維斯特（Ronald Linn Rivest）設計一種加密算法。
- 128個bits長度，也就是16個字節
- 輸出結果由爲“0-F”字符組成，不區分大小寫
- 存在2的128次方種輸出結果
MD5算法
一、源數據處理
計算原文長度(bits)對512求餘的結果，需要填充原文使得原文對512求餘的結果等於448, 填充的方法是第一位填充1，其餘位填充0。填充完後，信息的長度爲512 * N + 448。
剩餘64bits存儲空間用來填充源信息長度，填充在448byte 數據之後。
最終經過處理後的數據長度爲 512 * N。
動手畫了一張簡單的圖來說明：
二、處理數據
1、數據進行處理前，會定義4個常量，作爲初始值
這4個常量分別是
var a = 0x67452301;
var b = 0xEFCDAB89;
var c = 0x98BADCFE;
var d = 0x10325476;翻譯成二進制就是
var a = 1732584193;
var b = -271733879;
var c = -1732584194;
var d = 271733878;2、將處理後的數據，外循環處理N次，N爲第一步中512的整數倍。
每次外循環處理的會產生新的“a、b、c、d”值，每次新產生的“a、b、c、d”值會再一次提供給下一次外循環使用
3、在每個外循環中又進行內循環處理64次，在這64次數據處理中會不停的將 512 bytes 數據中的 16個小單元不停的通過4個函數進行交叉處理，共計進行64輪計算。
4、最終生成新的“a、b、c、d”，新的“a、b、c、d”分別是佔用32bytes的數據
5、最終生成的“a、b、c、d”轉換爲對應的ascll佔用的字節，32 bytes * 4 = 128 bytes， 一個字節佔用8個bytes， 也就是16個字節,16個字節轉換爲ASCII碼，再將ASCII碼轉換爲16進制數據，即可得到一個32個字節長度的hash值。
內外循環代碼
function binl_md5(x, len) {
/* append padding */
x[len >> 5] = x[len >> 5] | 0x80 << (len % 32);
x[(((len + 64) >>> 9) << 4) + 14] = len;
var i, olda, oldb, oldc, oldd,
a = 1732584193,
b = -271733879,
c = -1732584194,
d = 271733878;
// 每次計算位移值，可以理解爲是常量
var ffShift = [7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22];
var ggShift = [5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20];
var hhShift = [4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23];
var iiShift = [6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21];
// Todo: 四個字節一組，每個組別之間不停的交叉計算，不停的根據已計算出來的值多次計算賦值
// x[i]裝的是4個字節的數據
// x.length 爲 512 * N / 32
// i += 16 每512bits長度的數據分爲了16組，而每次循環的計算單位是以512爲一個單元的，所以每次都是+16
for (i = 0; i < x.length; i += 16) {
olda = a;
oldb = b;
oldc = c;
oldd = d;
// 64輪計算中包含原始“a、b、c、d”值。
// 以及位移值，以及一個計算常量，這兩個是MD5規範中所定義的常量
a = md5_ff(a, b, c, d, x[i], ffShift[0], -680876936);
d = md5_ff(d, a, b, c, x[i + 1], ffShift[1], -389564586);
c = md5_ff(c, d, a, b, x[i + 2], ffShift[2], 606105819);
b = md5_ff(b, c, d, a, x[i + 3], ffShift[3], -1044525330);
a = md5_ff(a, b, c, d, x[i + 4], ffShift[4], -176418897);
d = md5_ff(d, a, b, c, x[i + 5], ffShift[5], 1200080426);
c = md5_ff(c, d, a, b, x[i + 6], ffShift[6], -1473231341);
b = md5_ff(b, c, d, a, x[i + 7], ffShift[7], -45705983);
a = md5_ff(a, b, c, d, x[i + 8], ffShift[8], 1770035416);
d = md5_ff(d, a, b, c, x[i + 9], ffShift[9], -1958414417);
c = md5_ff(c, d, a, b, x[i + 10], ffShift[10], -42063);
b = md5_ff(b, c, d, a, x[i + 11], ffShift[11], -1990404162);
a = md5_ff(a, b, c, d, x[i + 12], ffShift[12], 1804603682);
d = md5_ff(d, a, b, c, x[i + 13], ffShift[13], -40341101);
c = md5_ff(c, d, a, b, x[i + 14], ffShift[14], -1502002290);
b = md5_ff(b, c, d, a, x[i + 15], ffShift[15], 1236535329);
a = md5_gg(a, b, c, d, x[i + 1], ggShift[0], -165796510);
d = md5_gg(d, a, b, c, x[i + 6], ggShift[1], -1069501632);
c = md5_gg(c, d, a, b, x[i + 11], ggShift[2], 643717713);
b = md5_gg(b, c, d, a, x[i], ggShift[3], -373897302);
a = md5_gg(a, b, c, d, x[i + 5], ggShift[4], -701558691);
d = md5_gg(d, a, b, c, x[i + 10], ggShift[5], 38016083);
c = md5_gg(c, d, a, b, x[i + 15], ggShift[6], -660478335);
b = md5_gg(b, c, d, a, x[i + 4], ggShift[7], -405537848);
a = md5_gg(a, b, c, d, x[i + 9], ggShift[8], 568446438);
d = md5_gg(d, a, b, c, x[i + 14], ggShift[9], -1019803690);
c = md5_gg(c, d, a, b, x[i + 3], ggShift[10], -187363961);
b = md5_gg(b, c, d, a, x[i + 8], ggShift[11], 1163531501);
a = md5_gg(a, b, c, d, x[i + 13], ggShift[12], -1444681467);
d = md5_gg(d, a, b, c, x[i + 2], ggShift[13], -51403784);
c = md5_gg(c, d, a, b, x[i + 7], ggShift[14], 1735328473);
b = md5_gg(b, c, d, a, x[i + 12], ggShift[15], -1926607734);
a = md5_hh(a, b, c, d, x[i + 5], hhShift[0], -378558);
d = md5_hh(d, a, b, c, x[i + 8], hhShift[1], -2022574463);
c = md5_hh(c, d, a, b, x[i + 11], hhShift[2], 1839030562);
b = md5_hh(b, c, d, a, x[i + 14], hhShift[3], -35309556);
a = md5_hh(a, b, c, d, x[i + 1], hhShift[4], -1530992060);
d = md5_hh(d, a, b, c, x[i + 4], hhShift[5], 1272893353);
c = md5_hh(c, d, a, b, x[i + 7], hhShift[6], -155497632);
b = md5_hh(b, c, d, a, x[i + 10], hhShift[7], -1094730640);
a = md5_hh(a, b, c, d, x[i + 13], hhShift[8], 681279174);
d = md5_hh(d, a, b, c, x[i], hhShift[9], -358537222);
c = md5_hh(c, d, a, b, x[i + 3], hhShift[10], -722521979);
b = md5_hh(b, c, d, a, x[i + 6], hhShift[11], 76029189);
a = md5_hh(a, b, c, d, x[i + 9], hhShift[12], -640364487);
d = md5_hh(d, a, b, c, x[i + 12], hhShift[13], -421815835);
c = md5_hh(c, d, a, b, x[i + 15], hhShift[14], 530742520);
b = md5_hh(b, c, d, a, x[i + 2], hhShift[15], -995338651);
a = md5_ii(a, b, c, d, x[i], iiShift[0], -198630844);
d = md5_ii(d, a, b, c, x[i + 7], iiShift[1], 1126891415);
c = md5_ii(c, d, a, b, x[i + 14], iiShift[2], -1416354905);
b = md5_ii(b, c, d, a, x[i + 5], iiShift[3], -57434055);
a = md5_ii(a, b, c, d, x[i + 12], iiShift[4], 1700485571);
d = md5_ii(d, a, b, c, x[i + 3], iiShift[5], -1894986606);
c = md5_ii(c, d, a, b, x[i + 10], iiShift[6], -1051523);
b = md5_ii(b, c, d, a, x[i + 1], iiShift[7], -2054922799);
a = md5_ii(a, b, c, d, x[i + 8], iiShift[8], 1873313359);
d = md5_ii(d, a, b, c, x[i + 15], iiShift[9], -30611744);
c = md5_ii(c, d, a, b, x[i + 6], iiShift[10], -1560198380);
b = md5_ii(b, c, d, a, x[i + 13], iiShift[11], 1309151649);
a = md5_ii(a, b, c, d, x[i + 4], iiShift[12], -145523070);
d = md5_ii(d, a, b, c, x[i + 11], iiShift[13], -1120210379);
c = md5_ii(c, d, a, b, x[i + 2], iiShift[14], 718787259);
b = md5_ii(b, c, d, a, x[i + 9], iiShift[15], -343485551);
a = safe_add(a, olda);
b = safe_add(b, oldb);
c = safe_add(c, oldc);
d = safe_add(d, oldd);
}
// 最終生成4個佔用32 bytes控制的值
return [a, b, c, d];
}四輪計算線性函數
F(X,Y,Z) =(X&Y)|((~X)&Z)
G(X,Y,Z) =(X&Z)|(Y&(~Z))
H(X,Y,Z) =X^Y^Z
I(X,Y,Z)=Y^(X|(~Z)) 6、第五點可以解釋爲什麼生成的hash值中只會包含“0-F”，且不區分大小寫的原因，長度爲16。
function rstr2hex(input) {
var hex_tab = '0123456789abcdef',
output = '',
x,
i;
for (i = 0; i < input.length; i += 1) {
x = input.charCodeAt(i);
output += hex_tab.charAt((x >>> 4) & 0x0F) +
hex_tab.charAt(x & 0x0F); x:${input.charCodeAt(i)}, output: ${output}`);
}
return output;
}以上代碼來自 https://github.com/blueimp/JavaScript-MD5，稍有改動。
適用場景：
- 私密數據加密，比如用戶密碼一般都不會明文存儲，而是通過加密後存入數據庫
- 賭場開盤前將開票結果公佈，開盤後通過簽名對比校驗是否存在作弊行爲
- 檢測文件是否下載完成，比如迅雷下載
- ...
如何破解
MD5中，雖然由源文可以推導出簽名，反過來，並不能由簽名推導出源文。但MD5並不是堅不可摧，目前有兩種破解方式
- 碰撞法，雖然MD5簽名存在2的128次方種輸出結果，但每個簽名對應的原文並不是唯一的，只要計算機性能夠強大，給予充足的時間，總能找到能輸出相同簽名的數據源。
- 映射法，把常規字符串對應的簽名存儲，比如常用的“123456”，“abcdefg”等。當得到MD5簽名時，就可以映射出源數據。
如何防範：
- 使用安全性更高的SHA256，並不是說SHA256不能被破解，只是相對於MD5來說算法步驟更多，也更復雜，破解難度更大。
- 源數據 + KEY，比如“123456”加上KEY就變成了“123456@#DFF23DS”,其中“@#DFF23DS”就是服務端存儲的KEY。“源數據 + KEY” => 簽名。
- 源數據 + KEY + 動態數據，KEY有可能會被猜到，如果再加上動態數據的話，破解難度會進一步提升，比如用戶名、動態密碼。“源數據 + KEY + 動態密碼” => 簽名。
- 多次MD5，MD5("123456")很容易被猜到，MD5(MD5("123456")),將MD5後的簽名再進行一次MD5呢，如果進行三次，十次，是不是破解的難度會更大，當然這麼做會增加計算時間，需要權衡。
其他：
- 中文編碼需要轉碼，否則前端與後端編碼後的值可能不一致。
- 除了MD5算法，還存在很多其他形式的哈希函數算法，比如SHA系列，他們的設計思路大體相同。