您是否想过，您的在线数据是如何保持安全的？答案往往始于SHA（安全散列算法）。它在密码存储、SSL 证书、数字签名和区块链技术中发挥着主导作用。无论您是否知道，您每天都在与它打交道。
本文解释了什么是 SHA、它如何工作、谁在使用它以及它为什么重要。通过简单的解释和实用的知识，您可以了解 SHA 如何保护您的数据并支持数字安全。
目录
- 什么是 SHA？概述
- SHA 是如何工作的？基本原理
- SHA 的演变：从 SHA-1 到 SHA-3
- 民政事務局局長的未來
- SHA 的主要安全功能
- 网站安全中 SHA 的常见应用
- SHA-1 与 SHA-2：它们的区别是什么？
- SHA 的弱点和局限性
什么是 SHA？概述
SHA是安全散列算法（Secure Hash Algorithm）的缩写，是一种为保护敏感数据而开发的加密函数。它接收输入信息（如文本、文件、密码或任何数据输入），并通过一个数学过程来生成一个唯一的哈希值，即信息摘要或哈希摘要。你无法逆转生成的哈希值来揭示原始数据，这就是数字签名、证书文件和密码存储广泛使用哈希值的原因。
什么是哈希函数？
散列函数是一种单向函数，可将任意大小的数据转换成固定大小的散列输出。该输出看起来像一串随机字符，但它是一致的：相同的输入总能得到相同的摘要。哪怕改变一个字母，也会得到不同的结果。这就是所谓雪崩效应的关键特征。
把散列想象成做冰沙。你把苹果、香蕉和一些菠菜倒进去，然后搅拌，就能得到一杯绿色饮料。你可以品尝和比较它，但不能把它变回完整的苹果和香蕉。这就是 SHA 对数据的作用。它用数学方法将数据混合起来，然后给出一个固定长度的 “冰沙”，称为哈希值。
即使添加一颗小小的蓝莓，你也会得到一杯完全不同的饮料。用 SHA 的术语来说，输入内容稍有变化，就会产生新的哈希值。这就是它保持安全的方式。没有人能通过哈希值找出搅拌机里加了什么。
SHA 功能
SHA 函数是为保持数据完整性而设计的加密哈希函数大家族的一部分。如果使用得当，几乎不可能篡改原始数据而不被发现。它们可验证发送方和接收方之间的数字内容无人篡改。
其核心是，SHA 为我们提供了一种确认数字内容真实性和未被篡改的方法。它无需解密或读取实际信息就能提供安全性。这使得它非常适合任何需要相信数据未被更改的情况，即使你不知道数据是什么。
SHA 是如何工作的？基本原理
要真正掌握 SHA，我们需要了解其背后的流程。想象一下你有一些输入数据：可能是密码、合同或电子邮件。SHA 接收输入信息，将其分成若干块，然后通过一系列压缩函数和数学变换进行处理。 结果呢？ 最终哈希值，是一个固定长度的字符串，代表原始内容。
每个 SHA 函数都遵循类似的模式。它首先对输入进行填充，然后将输入分割成块。每个区块都要经过一种加密算法，其中涉及比特运算、模块加法和逻辑函数。这些运算以可预测但不可逆的方式混合输入。即使信息中最微小的变化也会导致散列结果发生变化。
我们来看看 SHA-256为例，它是目前使用最广泛的函数之一。无论输入大小如何，它都能产生256 位的散列输出。无论是散列一个单词还是整个文档，结果长度都是一样的。
SHA 的最大优势之一是它能使碰撞攻击变得异常罕见。碰撞是指两个不同的数据值产生相同的哈希值。对于像 SHA-256 这样的函数来说，这种情况在统计学上是非常罕见的，以至于在现实条件下几乎不可能发生。这使得它在检测篡改和验证真实性方面非常可靠。
你还会听到 “散列数据“一词。这是通过 SHA 函数运行内容以创建摘要的过程。与对称加密不同，SHA 不涉及加密或解密的密钥。它是一个单向函数，这意味着你可以在不解密的情况下验证内容。
散列操作示例
输入信息：
敏捷的棕狐狸跳过懒惰的狗
SHA-256 散列输出：
d7a8fbb307d7809469ca9abcb0082e4f8d5651e46d3cdb762d02d0bf37c9e592
在实际使用中，哈希值通常与原始内容配对，或嵌入数字证书中。收到文件后，系统通常会使用OpenSSL 等工具再次对文件进行散列，并将新摘要与原始摘要进行比较。如果两者匹配，则数据完好无损。如果不匹配，则说明在传输过程中出了问题，或者有人试图更改内容。
与MD5 算法等老式算法相比，SHA-2 是一个重大升级。这也是微软和 Mozilla 等可信平台完全采用 SHA-2 算法进行数字签名和证书验证的原因。
SHA 的演变：从 SHA-1 到 SHA-3
SHA 的诞生并非一蹴而就。它经历了几个阶段，每个阶段都旨在解决密码学的弱点并提高安全性。SHA 算法由美国国家安全局（NSA）开发，并由美国国家标准与技术研究院（NIST）发布，是联邦机构、私营公司和加密平台使用的更广泛安全协议的补充。
SHA 系列从SHA-0 开始，由于存在缺陷，从未被广泛使用。接下来的SHA-1 多年来一直是一种标准。它能产生160 位散列值，在早期被认为是安全的。
然而，研究人员发现，SHA-1 容易受到碰撞漏洞的影响。2017 年，谷歌成功展示了针对 SHA-1 的碰撞攻击，表明两个相似的哈希函数可以创建相同的摘要。这给我们敲响了警钟。对于高安全性环境来说，SHA-1 不再可靠。
为此，NIST 推出了SHA-2系列。它包括SHA–224、SHA-256、SHA-384 和SHA-512， 每种都提供不同的输出大小，但具有更强的抗攻击能力。其中，SHA-256最为常用。它兼顾了速度和强度，现已成为SSL 证书、密码存储和数字文档的标准。
人们经常把 SHA-2 和 SHA-256 互换使用，但从技术上讲，SHA-256 只是更广泛的 SHA-2 系列中的一个功能。它们都使用类似的设计结构，但在块大小和摘要长度上有所不同。
民政事務局局長的未來
NIST 于 2015 年发布了SHA-3，这是一个基于完全不同的Keccak 模型的更新系列。SHA-3 不会取代 SHA-2，但将为新的安全威胁提供一个安全的替代方案。SHA-3 使用 “海绵构造 “模型代替传统的压缩函数，这意味着它处理数据的方式不同，输出长度也更灵活。
那么，为什么 SHA-3 还没有被取代呢？因为按照现在的标准，SHA-2 仍然被认为是安全的。在我们发现 SHA-2 的缺陷之前，没有必要急于更换。尽管如此，一些组织还是在高风险环境中使用 SHA-3，为未来做好准备。
随着新攻击策略的出现，SHA 总是在不断调整。如果您要保护敏感数据的安全，了解 SHA 如何演变有助于预防新出现的危险，确保信息安全。
SHA 的主要安全功能
如果使用得当，SHA 提供的关键功能有助于为数据验证和数字通信建立一个安全的环境。你将获得
- 数据完整性。一旦数据被散列，任何变化，无论多么微小，都会修改整个散列值。这使得 SHA 成为检查文件、合同或软件包是否被篡改的理想工具。收件人可以再次散列内容，并将其与发件人的唯一散列值进行比较。如果匹配，则说明内容没有问题。
- 抗碰撞。一个好的安全散列函数不会让两个不同的数据值产生相同的摘要。这可以防止黑客插入恶意文件，冒充合法文件。它还能保护数字签名，签名应用于哈希值，而不是实际内容。这样，任何人都可以验证签名，而无需访问完整数据。
- 速度和一致性。对于相同的输入，无论谁在何时运行，SHA 函数都会产生相同的散列输出。这种一致性是 SHA 在互联网协议中发挥重要作用的原因。
- 单向加密。SHA 不对数据进行传统意义上的加密；它不使用相同的密钥进行加密和解密。相反，它只对数据进行单向散列。你可以检查某些内容是否与已知哈希值匹配，但无法从哈希值逆向工程原始数据。
- 抵御 蛮力攻击.由于可能的输出空间非常大，如果没有大量的计算能力和时间，猜测匹配的输入是不可能的。
这些特性使 SHA 成为数字信任的支柱。它们允许服务器和浏览器快速、可靠地验证数据，而无需存储或传输实际内容。SHA 提供了一种快速、一致且值得信赖的方式来检测操纵行为，并为用户和开发人员构建安全系统。
网站安全中 SHA 的常见应用
SHA 出现的地方比大多数人意识到的要多。几乎每一层安全数字通信中都有它的身影。
密码存储
设置密码时，系统不会直接保存密码。相反，它会使用 SHA 创建一个哈希摘要。这意味着即使有人入侵系统，他们也找不到真正的密码，只能找到哈希值。系统会再次对您的输入进行散列，然后与保存的值进行比较，以便稍后检查您的密码。
数字证书（SSL/TLS、文件验证）
SHA 可证明 SSL 证书文件与签发时相同。当浏览器使用HTTPS 连接到安全网站时，它会检查证书的 SHA 摘要以验证其真实性。任何不匹配都会触发警告。
数字签名
数字签名是另一种常见用途。对文件进行数字签名时，需要对文件进行散列，然后用私人密钥对散列结果进行加密。然后，任何人都可以通过解密数字签名并将散列输出与自己的版本进行比较来验证数字签名。如果两者匹配，则说明内容没有改变。
区块链技术
区块链中的每个区块都包含前一个区块的哈希值。这种结构创建了一个链，改变一个区块就会破坏随后的每一个区块。这就是区块链保持其完整性的方式。
除了链接区块，SHA 还确保每个区块内内容的安全。交易被单独散列，然后组合成梅克尔树，这种结构产生的单一散列值代表所有交易。这个哈希值存储在区块头中。这样，用户就可以验证特定的交易，而无需下载整个链，从而保证了系统的安全性和效率。
其他用途和示例
其他用途包括验证软件下载、确保 API 安全以及检查电子邮件的完整性。甚至像IBM HTTP 服务器这样的老式系统也使用 SHA 来验证配置文件和更新。
政府和军事机构也依赖 SHA。NIST 要求所有联邦机构在处理敏感数据时使用 SHA-2 或更好的版本。它是联邦信息处理标准（FIPS）的一部分，该标准规定了各机构如何处理数字安全。
SHA-1 与 SHA-2：它们的区别是什么？
让我们比较一下 SHA 系列中讨论最多的两种算法：SHA-1和SHA-2。你会经常听到有人提到这两种算法，但它们在强度和用途上却大相径庭。
SHA-1创建了一个160 位的散列摘要，并在很长一段时间内成为标准。然而，研究人员发现了密码学上的弱点，使得产生散列碰撞成为可能，即输入产生相同的输出。这打破了一个好的哈希函数的核心承诺之一：它是唯一的。
相比之下，SHA-2 包括多种功能：SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512。每种函数都提供更长、更安全的散列值。最常用的 SHA-256 能输出256 位的散列值，因此更难被暴力或碰撞攻击破解。
如果要使用 SSL 或签署文件，应完全避免使用 SHA-1。浏览器和主要技术平台已经放弃了对它的支持。SHA-2 是当前的最佳做法，已被主要安全协议和操作系统广泛接受。
区别不仅在于强度，还在于信任度。对于 SHA-1，确实存在被篡改的风险。而使用 SHA-2，这种风险在正常情况下是不存在的。无论是处理数字证书、确保登录安全，还是处理敏感数据，SHA-2 都是更好的选择。
SHA 的弱点和局限性
虽然 SHA-2 很强大，但并非不可战胜。随着时间的推移，研究人员发现了可以利用其理论弱点的边缘情况。这些威胁目前还不存在，但这正是开发 SHA-3 的原因所在。
其局限性之一是，如果仍然使用 SHA-1 等弱版本，就会有散列碰撞的风险。另一个限制是，SHA 无法阻止他人同时修改信息及其哈希值。这就是为什么安全协议必须包括散列和加密，以及可信的公钥或数字证书。
在多个应用程序中使用类似的哈希函数时也要谨慎。在不同情况下重复使用相同的方法可能会造成意想不到的漏洞。要始终根据手头的任务来匹配哈希算法，并在发现新的加密弱点时及时更新。
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