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CRC32、MD5、SHA1概念及可靠性现状

昨天介绍了Windows 7的版本识别问题,不得不提到常用的CRC32、MD5、SHA1等校验算法可靠性问题,如果只是单纯的编码理论,天缘还算是可以看懂,但对密码学整体认识毕竟不是行内人,所以也只能从一些皮毛概念上简单介绍一下,实际上这些算法本身并不复杂,但每种算法的创立都是伟大壮举,这里天缘也把他们(W. Wesley Peterson和Ronald L. Rivest)请到摘要里,感恩一下。

现在网上流传最广的文件校验方式是MD5和SHA1,微软发布的操作系统现在都是采用CRC32结合SHA1发布。这三种算法中属CRC最年长,也是应用最广泛,如果不考虑碰撞的条件下,这些算法都可以发现传输或保存的信息受到的损坏或篡改,比如文件校验可以防止文件被恶意篡改,数字签名可以保护合法者不被仿冒,系统鉴权一方面要保护用户存储信息不受侵害,还需要保护信息传输过程不受干扰破坏等等,下面具体看一下。

图中左边是W. Wesley Peterson,右边是Ronald L. Rivest

1、CRC校验

CRC全称Cyclic Redundancy Check,又叫循环冗余校验。它是一种散列函数(HASH,把任意长度的输入通过散列算法,最终变换成固定长度的摘要输出,其结果就是散列值,按照HASH算法,HASH具有单向性,不可逆性),用来检测或校验传输或保存的数据错误,在通信领域广泛地用于实现差错控制,比如通信系统多使用CRC12和CRC16,XMODEM使用CRC16等等(12、16、32等值均是指多项式的最高阶N次幂),天缘早前在做通信方面工作时也是最常用到这个校验方法,因为其编解码方法都非常简单,运算时间也很短。

但从理论角度,CRC不能完全可靠的验证数据完整性,因为CRC多项式是线性结构,很容易通过改变数据方式达到CRC碰撞,天缘这里给一个更加通俗的解释,假设一串带有CRC校验的代码在传输中,如果连续出现差错,当出错次数达到一定次数时,那么几乎可以肯定会出现一次碰撞(值不对但CRC结果正确),但随着CRC数据位增加,碰撞几率会显著降低,比如CRC32比CRC16具有更可靠的验证性,CRC64又会比CRC32更可靠,当然这都是按照ITU规范标准条件下。

正因为CRC具有以上特点,对于网络上传输的文件类很少只使用CRC作为校验依据,文件传输相比通信底层传输风险更大,很容易受到人为干预影响。

2、MD5

MD全称Message Digest,又称信息摘要算法,MD5从MD2/3/4演化而来,MD5散列长度通常是128位, 也是目前被大量广泛使用的散列算法之一,主要用于密码加密和文件校验等。MD5的算法虽然非常“牢靠”,不过也已经被找到碰撞的方法,网上虽然出现有些碰撞软件,天缘没用过,但可以肯定,实际作用范围相当有限,比如,及时黑客拿到了PASSWORD MD5值,除了暴力破解,即使找到碰撞结果也未必能够影响用户安全问题,因为对于密码还要限定位数、类型等,但是如果是面向数字签名等应用,可能就会被破解掉,不过,MD5同下文的SHA1仍是目前应用最广泛的HASH算法,他们都是在MD4基础上改进设计的。

3、SHA1

SHA全称Secure Hash Standard,又称安全哈希标准,SHA家族算法有SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512(后四者通常并称SHA2),原理和MD4、MD5原理相似,SHA是由美国国家安全局(NSA)所设计,由美国国家标准与技术研究院(NIST)发布。SHA可将一个最大2^64位(2305843009213693952字节)信息,转换成一串160位(20字节)的散列值(摘要信息),目前也是应用最广泛的HASH算法。同MD5一样,从理论角度,SHA1也不是绝对可靠,目前也已经找到SHA1的碰撞条件,但“实用”的碰撞算法软件还没出现。于是美国NIST又开始使用SHA2,研究更新的加密算法。

校验工具下载:

三 款主流文件校验码工具HashCalc、WinMD5、Hasher

补 充

1、上文“碰撞”的解释,碰撞就是不同明文通过HASH后的结果相同。

2、MD5和SHA1都具有高度的离散性,哪怕是只修改一个字节值都会导致MD5或SHA1值“巨大”变化,从实践角度,不同信息具有相同MD5或SHA1码 的可能性非常低,通常认为是不可能的。

3、对于普通的下载文件或操作系统,想通过简单的修改某个字节或某些字节,又要保证文件名、大小和安装可靠性的前提下,想达到MD5、SHA1碰撞效果也几乎是不可能的。

4、关于单线程下载和多线程下载是否会对下载文件的准确性有影响,像电驴、迅雷都是按照HASH码进行合法校验“拼装”的,除非是软件出了错误,否则单线程多线程跟最终下载结果没有区别,从微软服务器下载跟从山寨网站下载结果也没有区别。

5、总之,有生之年,大家可以不相信CRC,但是MD5和SHA1绝对值得信赖,敬请放心,他们比天气预报要可靠的多了。

参考资料:维基百科——CRC循环冗余校验MD5SHA

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