SHA-1（安全散列算法1）

SHA-1是一种密码散列函数，它可以从任何长度不超过2⁶⁴ - 1位的输入消息生成一个160位的哈希值（也称为消息摘要）。

SHA-1是由国家安全局（NSA）设计的，并于1995年由国家标准与技术研究院（NIST）作为安全散列标准（SHS）的一部分发布。

SHA-1是单向函数，这意味着无法从其哈希值计算出原始消息。

在上图中，在SHA-1压缩函数的一个循环中，A、B、C、D和E代表32位状态字。

F = 变化的非线性函数。
⋘n = 左移n位。
n = 每个操作的值都不同。
W_t = 第t轮的扩展消息字；
K_t = 第t轮的轮常数；以及
⊞ = 模2³²加法。

算法

以下是SHA-1中需要遵循的步骤：

初始化
- 让我们从一些初始值开始。
- 用正确的值设置所有五个变量（h0到h4）。
预处理
- 准备要进行哈希处理的消息。
- 应在消息的末尾添加一个'1'位。
- 为了设置消息的最大长度，请追加一些'0'位。
- 在消息的末尾，包含消息的原始长度（以位为单位）。
处理
- 将消息分成易于管理的部分，并分别处理每一部分。
- 每一部分应包含512位。
- 将这些部分分别分成十六个32位字。
- 使用公式将这些字扩展成八十个32位字。
主循环
- 遍历每个字并进行一些计算。
- 根据字的位置和值，更新临时变量。
- 根据这些计算，更新哈希值。
最终化
- 要获得最终哈希值，请组合哈希值。
- 使用预定的顺序排列哈希值以生成一个160位整数。

SHA-1的实现

以下是SHA-1算法的Python和Java实现，以及结果：

使用Python

此Python代码通过使用hashlib包实现SHA-1算法。它定义了函数sha1，该函数接受消息作为输入并输出使用SHA-1生成的哈希值。在函数内部，生成一个SHA-1哈希对象并使用输入消息对其进行更新，并返回哈希的十六进制摘要。

import hashlib

def sha1(message):
   # generate a SHA-1 hash object
   sha1_hash = hashlib.sha1()

   # update the hash object 
   sha1_hash.update(message.encode('utf-8'))

   # hexadecimal digest of the hash
   return sha1_hash.hexdigest()

# execute the function
message = "Hello, everyone!"
sha1_hash = sha1(message)
print("SHA-1 hash:", sha1_hash)

输出

SHA-1 hash: 9a8bfaaace7b9e422f79ef862956e3512aa9d8ea

使用Java

在此Java代码中，我们将使用java.security.MessageDigest类。该类实现了SHA-1算法。它定义了一个名为sha1的方法，该方法接受消息作为输入并返回其SHA-1哈希值。该函数为SHA-1创建一个MessageDigest对象，用消息字节更新它，获取摘要字节。因此，请参考下面的Java代码以获取SHA-1：

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class SHA1 {
   public static String sha1(String message) {
      try {
         // generate a MessageDigest object here
         MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");

         // then update the digest
         md.update(message.getBytes());

         // the digest bytes
         byte[] digestBytes = md.digest();

         // change the bytes to hexadecimal
         StringBuilder sb = new StringBuilder();
         for (byte b : digestBytes) {
            sb.append(String.format("%02x", b));
         }

         return sb.toString();
      } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
         e.printStackTrace();
         return null;
      }
   }

   public static void main(String[] args) {
      // execute the function
      String message = "Hello, tutorialspoint!";
      String sha1Hash = sha1(message);
      System.out.println("SHA-1 hash: " + sha1Hash);
   }
}

输出

SHA-1 hash: 92c2164b880f6a60355a0764dd59ae828b53d6f3

SHA-1的特性

SHA-1具有几个特性，使其适合各种应用：

哈希函数的基本目的是为每个输入消息生成不同的哈希值。SHA-1确保两个不同的消息不太可能生成相同的哈希结果，从而使其能够抵抗碰撞攻击。
SHA-1是单向函数，这意味着无法从其哈希值检索原始消息。此属性对于数字签名、密码存储和其他安全相关应用至关重要。
SHA-1具有固定的160位输出长度，无论输入消息的大小如何。这允许您轻松比较哈希值并将它们保存在数据库中。

SHA-1的应用

SHA-1用于各种应用，例如：

数字签名 - 数字签名算法（如数字签名标准 (DSS)）使用SHA-1来确保数据完整性和不可否认性。
密码存储 - 密码使用SHA-1存储在数据库中。系统存储密码的哈希值而不是实际密码，这使得攻击者难以窃取密码。
安全通信 - SHA-1在安全通信协议（如传输层安全 (TLS) 和安全套接字层 (SSL)）中保护数据完整性和机密性。

SHA-1的漏洞

虽然 SHA-1 之前被认为是一种安全的哈希算法，但目前它容易受到各种攻击。

SHA-1 的根本风险在于其抗碰撞性，这意味着两个不同的消息可以生成相同的哈希值。这可以用于多种方式，例如：

生日攻击 − 生日攻击是一种碰撞攻击，攻击者试图找到两个具有相同哈希值的独立消息。使用 SHA-1 的生日攻击只需要 2⁸⁰ 次计算，对于现代计算能力来说是可行的。
中间人攻击 − 中间人攻击发生在攻击者拦截并修改双方之间发送的数据时。SHA-1 允许攻击者生成一个与原始消息具有相同哈希值的修改后的消息，这使得难以检测到更改。
证书伪造 − 数字证书使用 SHA-1 来验证网站或服务的真实性。但是，由于容易受到碰撞攻击，攻击者可以生成一个与真实证书具有相同哈希值的伪造证书。

SHA-1 的替代方案

由于 SHA-1 的弱点，建议采用更强大的哈希算法，例如 SHA-2 和 SHA-3。
SHA-2 是一组哈希算法，其中包含 SHA-256、SHA-384 和 SHA-512，它们分别生成 256、384 和 512 位的哈希值。
SHA-2 是为了取代 SHA-1 而创建的，被认为更加安全。SHA-3 是 NIST 于 2012 年开发的一种较新的哈希函数，其创建哈希值的方式与 SHA-2 不同。

最佳实践

由于 SHA-1 容易受到攻击，一些旧程序和系统仍在使用它。为了最大限度地降低此类情况下的攻击风险，务必遵循最佳实践：

避免将 SHA-1 应用于新的应用程序和平台 − 选择更强大的哈希算法，例如 SHA-2 和 SHA-3。
升级旧系统 − 如果你在旧系统中继续使用 SHA-1，建议尽快切换到更好的哈希算法。
使用加盐哈希 − 为了提高密码存储安全性，加盐哈希在哈希后向密码添加随机文本（盐）。这使得攻击者使用预计算哈希表破解密码变得更加困难。

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