Что такое хэш-функция? Простое руководство для начинающих

Каждый раз, когда Вы входите на сайт, загружаете программное обеспечение или совершаете онлайн-платеж, хэш-функции работают за кулисами, обеспечивая безопасность Ваших данных. Эти математические инструменты преобразуют информацию в уникальные строки символов, помогая проверять пароли, целостность файлов и безопасность цифровых транзакций.

Хэш-функции играют важнейшую роль в современной кибербезопасности – от защиты Ваших учетных данных до питания технологии блокчейн. Давайте разберемся, что такое хэш-функции, как они работают и почему они важны для обычных пользователей Интернета.

---

Оглавление

1. Что такое хэш-функция?
2. Как работают хэш-функции
3. Что делает хэш-функцию по-настоящему безопасной
4. Общие алгоритмы хэширования
5. Как хэш-функции влияют на реальный мир
6. Хеширование против шифрования: Когда хэшировать, а когда шифровать?
7. Ограничения и уязвимости хэша, которые Вы должны знать
8. Шпаргалка по хэш-функциям: Примеры использования и рекомендуемые алгоритмы

---

Что такое хэш-функция?

Криптографическая хэш-функция – это математический алгоритм, который берет данные любого размера и преобразует их в строку символов фиксированной длины. Подумайте об этом как о цифровом устройстве для снятия отпечатков пальцев. Независимо от того, насколько велики или малы входные данные, выходные (называемые хэш-значением или дайджестом) всегда будут иметь одинаковую длину.

Что делает хэш-функции такими эффективными, так это их односторонняя природа. Вы можете легко преобразовать информацию в хэш, но невозможно сделать обратный вывод и воссоздать исходные данные из хэш-значения. Это свойство делает хэш-функции идеальными для проверки данных без раскрытия конфиденциальной информации.

Хэш-функции детерминированы, то есть при одинаковых входных данных всегда будет получаться одно и то же хэш-значение. Измените хотя бы один символ во входных данных, и хэш сгенерирует другой цифровой отпечаток.

Например, фраза“Hello World” при использовании распространенного алгоритма SHA-256 может дать результат фиксированной длины“a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e“. Добавьте только точку в конце (“Hello World.”), и хэш-значение превратится в нечто совершенно иное.

Эта уникальная комбинация свойств делает хэш-алгоритмы с односторонней функцией бесценными в приложениях для проверки данных и обеспечения безопасности, где необходимо подтвердить, что информация не была изменена.

Хэш-функции играют ключевую роль в цифровых подписях, где хэш сообщения подписывается с помощью системы открытых/закрытых ключей для обеспечения подлинности и целостности.

---

Как работают хэш-функции

Когда Вы передаете свои данные хэш-функции, за кулисами начинается сложный процесс. Сначала функция разбивает Ваши входные данные на блоки данных фиксированного размера. Например, SHA-256 (популярный алгоритм безопасного хэширования) обрабатывает информацию в 512-битных блоках.

Если Ваш конечный блок недостаточно велик, алгоритм добавляет дополнительные биты, называемые паддингом, чтобы обеспечить последовательную обработку. Затем каждый блок данных подвергается математическим операциям, включающим сдвиг битов, логические операции и математические функции.

Отличительной особенностью хэш-функций является лавинный эффект – функция безопасности, при которой изменение даже одного бита в исходных данных приводит к кардинальному изменению хэш-дайджеста. Например, хэширование “password” по сравнению с “Password” дает совершенно разные результаты, несмотря на то, что всего один символ меняется со строчного на прописной.

Лавинный эффект гарантирует, что незначительные изменения в Ваших входных данных сразу же станут очевидными при сравнении хэш-значений. В результате хэш-функции отлично подходят для обнаружения несанкционированного доступа, например, если Вы заметили, что кто-то модифицировал загруженный Вами файл или изменил содержимое полученного Вами сообщения.

Этот метод следует определенной математической формуле, которая варьируется в разных алгоритмах безопасного хэширования. Некоторые алгоритмы создают более короткие хэш-дайджесты (например, MD5 – 128 бит), а другие – более длинные (например, SHA-512 – 512 бит).

Независимо от того, какой алгоритм Вы используете, процесс преобразования остается последовательным, превращая входные данные переменной длины в предсказуемые выходные строки фиксированной длины.

---

Что делает хэш-функцию по-настоящему безопасной

Несколько ключевых функций работают вместе, чтобы эффективно управлять Вашими данными.

• Криптографический хэш – это детерминированный алгоритм, а это значит, что при вводе одних и тех же данных дважды Вы получите один и тот же результат. Такое постоянство позволяет компьютерам проверять целостность данных хэш-функциями, сравнивая хэш-значения при проверке файлов или цифровых подписей.
• Сильные хэш-функции также обеспечивают устойчивость к коллизиям, делая практически невозможным нахождение двух разных фрагментов информации, создающих одно и то же хэш-значение. Без такой защиты злоумышленники могли бы подменять вредоносные файлы легитимными, сохраняя при этом одно и то же хэш-значение.
• Аналогично, устойчивость к предызображениям не позволяет работать в обратном направлении от хэша, чтобы узнать исходные данные. Это одностороннее свойство гарантирует, что даже если кто-то получит хэш пароля, он не сможет изменить его, чтобы узнать Ваш пароль.
• Когда разработчики создают программное обеспечение, использующее хэш-таблицы для хранения данных, им нужны хэш-функции, которые равномерно распределяют значения. Такое сбалансированное распределение помогает приложениям быстро и эффективно находить информацию.

Современные алгоритмы обеспечивают эти защитные свойства с разной силой. Для повседневных нужд безопасности эти свойства обеспечивают безопасность Ваших учетных записей в Интернете и загруженных файлов.

Хотя более сильные алгоритмы могут работать немного дольше, они обеспечивают лучшую защиту от атак. Пока хэш-функция выдает одинаковый результат на одинаковый вход, хорошо распределяет значения и генерирует уникальный хэш-код для каждого фрагмента данных, она хорошо справляется со своей задачей.

---

Общие алгоритмы хэширования

Хэш-функции бывают нескольких видов, каждый из которых имеет свои достоинства и цели. Вот основные типы, с которыми Вам придется столкнуться:

• Семейство SHA (SHA-1, SHA-2, SHA-3): SHA-256 принадлежит к семейству SHA-2 и создает 256-битный результат. Этот безопасный хэш-алгоритм защищает конфиденциальные данные в банковских системах и является основой процесса майнинга Биткойна.
• SHA-1 был стандартом для проверки цифровых подписей, но эксперты по безопасности больше не рекомендуют его использовать после того, как в 2017 году исследователи продемонстрировали практические атаки на коллизии.
• SHA-3 – это новейшее поколение стандартов безопасных хэш-алгоритмов, созданное с совершенно иной внутренней структурой, чем его предшественники.
• Семейство MD (MD5, MD4 и т.д.) MD5 – один из самых старых и быстрых алгоритмов, создающий 128-битный хэш. Хотя он все еще используется для базовой проверки файлов, он недостаточно безопасен для паролей или целостности данных.
• RIPEMD (особенно RIPEMD-160) остается популярным в криптовалютных системах. Он часто работает наряду с SHA-256 при генерации адресов Bitcoin или Ethereum.
• Bcrypt и Argon2 – специализированные хэш-функции, специально разработанные для хранения паролей, поскольку их можно намеренно замедлить, чтобы предотвратить атаки методом перебора. Для хэширования паролей алгоритмы с большим объемом памяти, такие как scrypt, значительно усложняют атаки методом перебора и с использованием радужных таблиц.
• BLAKE2/BLAKE3 предлагают высокоскоростные альтернативы семейству SHA-256, сохраняя при этом сильные свойства безопасности.

Выбирая, какую хэш-функцию использовать, подумайте о том, что Вы защищаете. Для хранения пароля или простой проверки файла требуются разные алгоритмы. В большинстве современных систем используется одна и та же хэш-функция, SHA-256, или более новые альтернативы, такие как SHA-3, когда требуется надежная защита.

---

Как хэш-функции влияют на реальный мир

Хэш-функции незаметно обеспечивают работу техники, на которую Вы полагаетесь каждый день. От систем входа в систему до безопасного обмена сообщениями, они защищают Ваши данные и обеспечивают бесперебойную работу. Вот где они проявляются в реальном мире:

• Хеширование пароля (с засолкой): Когда Вы задаете пароль, он не хранится как есть. Вместо этого система прогоняет его через хэш-функцию и добавляет случайное значение, называемое соль. Даже если у двух пользователей один и тот же пароль, это защищает от распространенных атак и сохраняет Ваш логин в безопасности.
• Цифровые подписи и аутентификация электронной почты: Цифровая подпись подтверждает, что сообщение или файл получены из надежного источника. Она хэширует содержимое и шифрует его с помощью закрытого ключа. Многие почтовые службы используют аутентификацию электронной почты на основе хэша, чтобы блокировать поддельные или вредоносные сообщения.
• Проверка целостности файлов: Вы когда-нибудь видели хэш-значение рядом с загружаемым файлом? Это проверка целостности файла. После загрузки Ваше устройство хэширует файл и сравнивает его с оригиналом. Если значения совпадают, Вы знаете, что файл чист. Алгоритмы хэширования, одобренные NIST (FIPS 180-4, FIPS 202), такие как SHA-2 и SHA-3, являются широко известными стандартами для безопасного хэширования данных в правительственных и коммерческих системах.
• Блокчейн и криптовалюта: В мире криптовалют хэш-функции обеспечивают доказательство работы. Майнеры соревнуются в решении хэш-головоломок, подтверждении транзакций и обеспечении безопасности блокчейна. Именно это обеспечивает бесперебойную работу таких сетей, как Bitcoin.
• TLS и безопасные веб-соединения: Хэш-функции также защищают сеансы Вашего браузера. Во время рукопожатия TLS они помогают проверять сертификаты и защищают Ваши данные во время их перемещения по Интернету. Платформы безопасности, такие как Venafi, помогают управлять цифровыми сертификатами и используют хэш-функции для проверки доверия к идентификационным данным машин. В отличие от них, CrowdStrike использует хэш-анализ файлов для обнаружения и блокирования известных вредоносных программ в режиме реального времени.
• Контрольные суммы для загрузок и резервных копий: Функции хэширования генерируют контрольные суммы, которые помогают убедиться в том, что никто не испортил большие файлы, такие как программы установки программного обеспечения или резервные копии.
• Цифровая криминалистика: Следователи используют хэш-функции, чтобы доказать, что файлы (например, образы дисков) не были изменены. Как только они вычисляют хэш, даже один байт сразу же проявляется.
• CAPTCHA и proof-of-work головоломки в веб-приложениях: Некоторые сайты используют легкие головоломки на основе хэша, чтобы замедлить работу ботов, не раздражая реальных пользователей. Это похоже на мини-версию proof-of-work из мира блокчейна.

---

Хеширование против шифрования: Когда хэшировать, а когда шифровать?

Понимание различий между шифрованием и хэшированием в криптографии – ключ к хорошей защите данных. Они оба шифруют данные, но по совершенно разным причинам.

Хэширование – это односторонняя функция. Вы берете данные, прогоняете их через алгоритм хэширования и получаете результат фиксированной длины. Это как пломба для вскрытия. Вы не сможете ее отменить, но Вы будете знать, не испортил ли кто-то данные. Хеширование используется для проверки целостности данных, например, для проверки файлов или паролей. Если одно и то же входное сообщение дает один и тот же результат, значит, данные не изменились. Вы также найдете его в функциях выведения ключей и кодах аутентификации сообщений (MAC).

С другой стороны, шифрование– это двусторонний процесс. Это больше похоже на запирание Ваших данных в коробке с ключом. Только тот, у кого есть правильный ключ, может открыть его. Шифрование сохраняет Вашу информацию в тайне, а хэширование доказывает, что она не была изменена.

Короче говоря, Вы хэшируете данные, когда хотите проверить, не были ли они подделаны, и шифруете их, когда хотите сохранить их в тайне.

---

Ограничения и уязвимости хэша, которые Вы должны знать

Наиболее серьезной проблемой является хэш-коллизия, которая возникает, когда на разных входах получаются одинаковые хэш-значения. Хотя с математической точки зрения это неизбежно из-за бесконечного числа возможных входов, сопоставляемых с конечными выходами, сильные алгоритмы делают поиск коллизий практически невозможным.

Некоторые старые алгоритмы со временем оказались уязвимыми. Самый яркий пример – уязвимости SHA-1, которые заставили основные браузеры и организации, занимающиеся вопросами безопасности, отказаться от него.

Целеустремленный злоумышленник, обладающий значительными вычислительными ресурсами, может попытаться провести атаку методом грубой силы, перебирая бесчисленные комбинации входных данных, пока не найдет ту, которая даст целевой хэш. Этот подход становится более осуществимым при более коротких хэш-выходах или когда атакующие частично знают входные данные.

Различные хэш-функции обеспечивают разный уровень безопасности. Алгоритм дайджеста сообщений MD5 когда-то был основным алгоритмом хэширования для многих приложений, но теперь он подвержен атакам на радужные таблицы. Аналогично, хэш Unicode, используемый в аутентификации Windows (NTLM), имеет известные слабости, которыми могут воспользоваться злоумышленники.

По мере роста вычислительной мощности алгоритмы, которые раньше считались безопасными, могут стать уязвимыми. Организации, заботящиеся о безопасности, теперь регулярно проверяют свои хэш-реализации и при необходимости переходят на более надежные алгоритмы.

---

Шпаргалка по хэш-функциям: Примеры использования и рекомендуемые алгоритмы

Пример использования	Рекомендуемые алгоритмы	Почему это работает
Хранение паролей	Argon2, Bcrypt, PBKDF2	Медленные по своей конструкции, чтобы противостоять перебору и атакам по словарю.
Проверки целостности файлов	SHA-256, BLAKE3	Быстрый и безопасный, с высокой устойчивостью к столкновениям
Цифровые подписи	SHA-256, SHA-3, SHA-384	Надежность и широкая поддержка в стандартах подписи
Блокчейн/криптовалюта	SHA-256 (Биткойн), Keccak-256 (ETH)	Безопасно и эффективно для подтверждения работы и проверки блоков
Аутентификация сообщений	SHA-256 (HMAC), BLAKE2	Используется в HMAC для аутентификации сообщений и API.
Совместимость с наследством	SHA-1, MD5 (не рекомендуется)	Все еще встречается в старых системах, но из-за известных слабых мест должен быть снят с производства.

---

Защитите свою цифровую жизнь с помощью SSL Dragon

Теперь, когда Вы понимаете, как хэш-функции защищают Вашу деятельность в Интернете, Вы можете задаться вопросом, как обеспечить надлежащую безопасность для Вашего сайта или бизнеса.

В SSL Dragon мы предоставляем надежные TLS/SSL сертификаты от ведущих провайдеров, помогая Вам защитить свой сайт с помощью современных хэш-алгоритмов и стандартов шифрования. Наша команда постоянно следит за лучшими практиками в области безопасности, гарантируя, что Вы всегда будете иметь наилучшую защиту.

Независимо от того, нужно ли Вам защитить простой блог или сложную платформу электронной коммерции, наш ассортимент SSL-сертификатов обеспечивает необходимый уровень защиты по конкурентоспособным ценам.