Что такое SHA? Полное руководство по хэш-алгоритмам

Вы когда-нибудь задумывались, как Ваши данные в Интернете остаются в безопасности? Ответ часто начинается с SHA (Secure Hash Algorithm). Он играет ведущую роль в хранении паролей, SSL-сертификатах, цифровых подписях и технологии блокчейн. Знаете ли Вы об этом или нет, но Вы взаимодействуете с ним каждый день.

В этой статье объясняется , что такое SHA, как он работает, кто его использует и почему он важен. Наслаждайтесь простыми объяснениями и практическими знаниями, которые помогут Вам понять, как SHA защищает Ваши данные и поддерживает цифровую безопасность.

---

Оглавление

1. Что такое SHA? Обзор
2. Как работает SHA: Основы
3. Эволюция SHA: От SHA-1 до SHA-3
4. Будущее SHA
5. Ключевые особенности безопасности SHA
6. Общие применения SHA в безопасности веб-сайтов
7. SHA-1 против SHA-2: что отличает их друг от друга?
8. Уязвимости и ограничения SHA

---

Что такое SHA? Обзор

SHA расшифровывается как Secure Hash Algorithm, это криптографическая функция, разработанная для защиты конфиденциальных данных. Она берет входное сообщение, например, текст, файл, пароль или любые данные, и прогоняет его через математический процесс, чтобы сгенерировать уникальное хэш-значение, известное как дайджест сообщения или хэш-дайджест. Вы не сможете изменить полученный хэш, чтобы узнать исходные данные, поэтому цифровые подписи, файлы сертификатов и хранение паролей широко используются.

Что такое хэш-функция?

Хэш-функция — это односторонняя функция, которая преобразует данные любого размера в хэш-вывод фиксированного размера. Этот результат выглядит как случайная строка символов, но он неизменен: один и тот же входной сигнал всегда дает один и тот же дайджест. Измените хотя бы одну букву, и Вы получите другой результат. Это ключевая особенность, называемая лавинным эффектом.

Думайте о хэшировании, как о приготовлении смузи. Вы бросаете туда яблоки, бананы и немного шпината, нажимаете «блендер», и получаете зеленый напиток. Вы можете попробовать и сравнить его, но не можете превратить этот коктейль обратно в целые яблоки и бананы. Именно так SHA поступает с данными. Он смешивает их с помощью математики и дает Вам «коктейль» фиксированной длины, называемый хэшем.

Вы получите совершенно другой напиток, даже если добавите одну крошечную черничку. В терминах SHA небольшое изменение входных данных дает Вам новый хэш. Так обеспечивается безопасность. Никто не может взять хэш и выяснить, что попало в блендер.

Функции SHA

Функции SHA являются частью большого семейства криптографических хэш-функций, предназначенных для обеспечения целостности данных. При правильном использовании они делают практически невозможной незаметную подделку исходных данных. Они проверяют, что никто не изменил цифровое содержимое между отправителем и получателем.

По своей сути SHA дает нам возможность подтвердить, что цифровое содержимое является подлинным и незапятнанным. Он обеспечивает безопасность без необходимости расшифровывать или читать само сообщение. Это делает его идеальным для любой ситуации, когда Вам нужно убедиться, что данные не были изменены, даже если Вы не знаете, что это за данные.

---

Как работает SHA: Основы

Чтобы по-настоящему понять SHA, нам нужно взглянуть на процесс, лежащий в ее основе. Представьте, что у Вас есть входные данные: это может быть пароль, контракт или электронное письмо. SHA берет это входное сообщение, разбивает его на фрагменты и обрабатывает их с помощью набора функций сжатия и математических преобразований. Результат? Окончательный хэш, строка фиксированной длины, которая представляет собой оригинальное содержимое.

Каждая функция SHA работает по схожей схеме. Она начинает с набивки входных данных, а затем разбивает их на блоки. Каждый блок проходит через криптографический алгоритм, включающий побитовые операции, модульные сложения и логические функции. Эти операции смешивают входные данные предсказуемым, но необратимым образом. Даже самое крошечное изменение в Вашем сообщении приводит к изменению результирующего хэша.

Возьмем SHA-256одну из наиболее широко используемых сегодня функций. Она всегда выдает 256-битный хэш на выходе, независимо от размера входных данных. Независимо от того, хэшируете ли Вы одно слово или целый документ, результат будет иметь одинаковую длину.

Одно из главных достоинств SHA заключается в том, что благодаря ему атаки на столкновения происходят невероятно редко. Коллизия — это когда два разных значения данных дают одинаковый хэш. Для такой функции, как SHA-256, это статистически настолько маловероятно, что считается практически невозможным в реальных условиях. Это делает ее надежной для обнаружения фальсификации и проверки подлинности.

Вы также можете услышать термин «хэширование данных». Это процесс прогона Вашего содержимого через функцию SHA для создания дайджеста. В отличие от симметричной криптографии, SHA не использует ключи для шифрования или дешифрования. Это односторонняя функция, а значит, Вы можете проверять содержимое, не расшифровывая его.

Пример хэширования в действии

Входное сообщение:

Быстрая коричневая лиса перепрыгивает через ленивую собаку

Вывод хэша SHA-256:

d7a8fbb307d7809469ca9abcb0082e4f8d5651e46d3cdb762d02d0bf37c9e592

В практическом использовании хэш часто сопоставляется с оригинальным содержимым или встраивается в цифровые сертификаты. Когда Вы получаете файл, Ваша система, часто использующая такие инструменты, как OpenSSL, может заново его хэшировать и сравнить новый дайджест с оригиналом. Если они совпадают, значит, данные не повреждены. Если нет, значит, что-то пошло не так во время передачи или кто-то пытался изменить содержимое.

Этот процесс представляет собой значительное усовершенствование по сравнению со старыми алгоритмами, такими как алгоритм MD5, который сейчас считается нерабочим из-за известных коллизий. Именно поэтому такие надежные платформы, как Microsoft и Mozilla, полностью перешли на SHA-2 для цифровых подписей и проверки сертификатов.

---

Эволюция SHA: От SHA-1 до SHA-3

SHA не родился в одночасье. Он прошел через несколько этапов, каждый из которых был призван устранить слабые места в криптографии и повысить уровень безопасности. Алгоритмы SHA, разработанные Агентством национальной безопасности (АНБ) и опубликованные Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), дополняют более широкие протоколы безопасности, используемые федеральными агентствами, частными компаниями и криптовалютными платформами.

Семейство SHA началось с SHA-0, который так и не получил широкого распространения из-за своих недостатков. Следующий по порядку SHA-1 стал стандартом на долгие годы. Он создает 160-битный хэш и считался безопасным в первые годы своего существования.

Однако исследователи обнаружили, что SHA-1 подвержен уязвимостям, связанным с коллизиями. В 2017 году компания Google продемонстрировала успешную атаку на SHA-1, показав, что две одинаковые хэш-функции могут создать один и тот же дайджест. Это был тревожный сигнал. SHA-1 больше не был надежен для сред с высоким уровнем безопасности.

В ответ на это NIST представил семейство SHA-2. В него входят SHA-224, SHA-256, SHA-384 и SHA-512, каждый из которых предлагает разные размеры выходных данных, но более устойчив к атакам. Среди них SHA-256 стал наиболее часто используемым. В нем сбалансированы скорость и прочность, и теперь он является стандартом для SSL-сертификатов, хранения паролей и цифровых документов.

Люди часто называют SHA-2 и SHA-256 взаимозаменяемыми словами, но технически SHA-256 — это всего лишь одна из функций в более широком семействе SHA-2. Все они используют схожие структуры, но различаются размером блока и длиной дайджеста.

---

Будущее SHA

В 2015 году NIST выпустил SHA-3— более новое семейство, основанное на совершенно иной модели под названием Keccak. SHA-3 не заменит SHA-2, но предложит безопасную альтернативу для новых угроз безопасности. SHA-3 использует модель «губчатой конструкции» вместо традиционных функций сжатия, что означает, что он обрабатывает данные по-другому и более гибок в отношении длины выходных данных.

Почему же SHA-3 не занял лидирующие позиции? Потому что SHA-2 все еще считается безопасным по сегодняшним стандартам. Пока мы не обнаружили недостатков в SHA-2, нет острой необходимости в переходе. Тем не менее, некоторые организации используют SHA-3 в средах с высоким уровнем риска, чтобы подготовиться к будущему.

SHA всегда адаптируется по мере появления новых стратегий атак. Если Вы защищаете конфиденциальные данные, понимание того, как развивается SHA, поможет предотвратить новые опасности и сохранить информацию в безопасности.

---

Ключевые особенности безопасности SHA

При правильном использовании SHA предлагает ключевые функции, которые помогают создать безопасную среду для проверки данных и цифровых коммуникаций. Вот что Вы получите.

• Целостность данных. Когда данные захешированы, любое изменение, каким бы маленьким оно ни было, изменит все хеш-значение. Поэтому SHA идеально подходит для проверки того, не был ли изменен файл, контракт или пакет программного обеспечения. Получатель может повторно хэшировать содержимое и сравнить его с уникальным хэшем отправителя. Если он совпадает, значит, содержимое чистое.
• Устойчивость к коллизиям. Хорошая защищенная хэш-функция не позволит двум разным значениям данных выдать один и тот же дайджест. Это не позволяет хакерам вставлять вредоносные файлы под видом легитимных. Она также защищает цифровые подписи, когда подпись применяется к хэшу, а не к реальному содержимому. Таким образом, любой может проверить подпись, не имея доступа к полным данным.
• Скорость и согласованность. Функция SHA всегда будет выдавать один и тот же хэш на один и тот же вход, независимо от того, кто и когда ее выполняет. Именно поэтому SHA используется в протоколах, обеспечивающих работу Интернета.
• Одностороннее шифрование. SHA не шифрует данные в традиционном смысле этого слова; он не использует один и тот же ключ для шифрования и расшифровки. Вместо этого он хэширует данные только в одном направлении. Вы можете проверить, соответствует ли что-то известному хэшу, но Вы не сможете восстановить исходные данные на основе хэша.
• Устойчивость к Атаки грубой силы. Поскольку пространство возможных выходов очень велико, угадать подходящий вход невозможно без огромных вычислительных мощностей и времени.

В совокупности эти характеристики делают SHA столпом цифрового доверия. Они позволяют серверам и браузерам быстро и надежно проверять данные, не храня и не передавая их фактическое содержание. SHA обеспечивает быстрый, последовательный и надежный способ обнаружения манипуляций и создания безопасных систем для пользователей и разработчиков.

---

Общие применения SHA в безопасности веб-сайтов

SHA проявляется в большем количестве мест, чем многие думают. Он встроен почти в каждый уровень безопасной цифровой коммуникации.

Хранение паролей

Когда Вы задаете пароль, Ваша система не сохраняет его напрямую. Вместо этого она создает хэш-дайджест с помощью SHA. Это означает, что даже если кто-то взломает систему, он не найдет настоящие пароли, а только их хэши. Система снова хэширует введенные Вами данные и сравнивает их с сохраненным значением, чтобы позже проверить Ваш пароль.

Цифровые сертификаты (SSL/TLS, проверка документов)

SHA подтверждает, что файлы SSL-сертификата остались такими же, какими были при его выпуске. Когда Ваш браузер подключается к защищенному веб-сайту с помощью HTTPS, он проверяет SHA-дайджест сертификата, чтобы убедиться в его подлинности. Любое несоответствие вызывает предупреждение.

Цифровая подпись

Цифровые подписи — еще один распространенный способ использования. Когда Вы ставите цифровую подпись под документом, Вы хэшируете его, а затем шифруете полученный хэш с помощью закрытого ключа. Любой человек может проверить полученную цифровую подпись, расшифровав ее и сравнив полученный хэш со своей собственной версией. Если они совпадают, значит, содержание документа не изменилось.

Технология блокчейн

Каждый блок в блокчейне содержит хэш предыдущего блока. Такая структура создает цепочку, в которой изменение одного блока приводит к поломке всех последующих. Именно так блокчейн сохраняет свою целостность.

Помимо связывания блоков, SHA также обеспечивает безопасность содержимого внутри каждого блока. Транзакции хэшируются по отдельности, а затем объединяются в дерево Меркла — структуру, которая создает единый хэш, представляющий все транзакции. Этот хэш хранится в заголовке блока. Это позволяет пользователям проверять конкретные транзакции без загрузки всей цепочки, обеспечивая безопасность и эффективность системы.

Другие варианты использования и примеры

Среди других применений — проверка загружаемого программного обеспечения, защита API и проверка целостности сообщений электронной почты. Даже такая старая вещь, как IBM HTTP Server, использует SHA для проверки файлов конфигурации и обновлений.

Правительственные и военные организации также полагаются на SHA. NIST требует, чтобы все федеральные агентства использовали SHA-2 или более высокий уровень при работе с конфиденциальными данными. Это часть Федерального стандарта обработки информации (FIPS), который регулирует то, как агентства обеспечивают цифровую безопасность.

---

SHA-1 против SHA-2: что отличает их друг от друга?

Давайте сравним два наиболее обсуждаемых алгоритма семейства SHA: SHA-1 и SHA-2. Вы часто будете слышать упоминание обоих, но они очень отличаются по силе и применению.

SHA-1 создает 160-битный хэш-дайджест, и долгое время он был стандартом. Однако исследователи обнаружили криптографические недостатки, которые позволяют генерировать хэш-коллизии — случаи, когда входные данные дают одинаковый выход. Это нарушает одно из основных обещаний хорошей хэш-функции: ее уникальность.

SHA-2, напротив, включает в себя несколько функций: SHA-224, SHA-256, SHA-384 и SHA-512. Каждая из них предлагает более длинные и надежные хэш-значения. Наиболее часто используемая SHA-256 выдает 256-битный хэш, поэтому ее гораздо сложнее взломать с помощью грубой силы или атак столкновения.

Если Вы используете SSL или подписываете документы, Вам следует полностью отказаться от SHA-1. Браузеры и основные технологические платформы уже отказались от его поддержки. SHA-2 — это лучшая на сегодняшний день практика, широко принятая основными протоколами безопасности и операционными системами.

Разница не только в силе, но и в доверии. При использовании SHA-1 существует реальный риск фальсификации. С SHA-2 этот риск отсутствует при нормальных условиях. Если Вы работаете с цифровыми сертификатами, защищаете логины или работаете с конфиденциальными данными, SHA-2, несомненно, является лучшим выбором.

---

Уязвимости и ограничения SHA

Несмотря на то, что SHA-2 силен, он не является неуязвимым. Со временем исследователи нашли крайние сценарии, в которых теоретические слабости могут быть использованы. Пока это не активные угрозы, но именно они послужили причиной разработки SHA-3.

Одно из ограничений — риск столкновения хэшей, если по-прежнему используются слабые версии, такие как SHA-1. Другое ограничение заключается в том, что SHA не может помешать кому-то изменить как сообщение, так и его хэш. Вот почему безопасные протоколы должны включать в себя как хэширование, так и шифрование, а также надежные открытые ключи или цифровые сертификаты.

Вам также следует быть осторожным с использованием одинаковых хэш-функций в нескольких приложениях. Повторное использование одного и того же метода в разных контекстах может создать непредвиденные дыры. Всегда подбирайте хэш-алгоритм в соответствии с поставленной задачей и обновляйте информацию по мере обнаружения новых криптографических слабостей.

---

Выберите безопасный SSL с SHA-шифрованием

Настоящая безопасность начинается с правильного сертификата. В SSL Dragon мы предлагаем SSL-сертификаты от таких надежных компаний, как Sectigo, DigiCert и GeoTrust, каждый из которых подкреплен надежным хэшированием SHA-256. Будь то персональный сайт или конфиденциальные транзакции, Вы получите надежную защиту и душевное спокойствие. Оцените гибкие тарифные планы SSL, поддержку экспертов и плавный переход к более надежной защите. Найдите SSL-сертификат для своего сайта уже сегодня.