Что такое и с какой целью необходимо использовать хэширование? Основные виды хэширования.

Сложность: Новичок.

Вступление

Данная статья будет повествовать о том, что такое хэширование и какие алгоритмы хэширования используются в плагине crypto, а также будет приведена сравнительная таблица, в которой можно будет увидеть и сравнить характеристики тех или иных алгоритмов хэширования, поддерживаемых данным плагином.

Содержание

• Вступление

• Раздел 1: Что такое хэширование и плагин crypto

• Раздел 2: SHA

• Раздел 3: MD5

• Раздел 4: HMAC

• Сравнительная таблица

• Заключение

Раздел 1: Что такое хэширование и плагин crypto

Хэш (хеш) — это криптографическая функция, которая представляет собой математический алгоритм, преобразующий произвольный массив данных (информацию) в строку фиксированной длины, состоящую из цифр и букв.

Как работает процесс хэширования:
Вначале определяют, целостность каких файлов нужно контролировать. Для каждого файла производится вычисления значения его хэша по специальному алгоритму с сохранением результата. Через необходимое время производится аналогичный расчет и сравниваются результаты. Если значения отличаются, значит информация содержащаяся в файле была изменена.

Основная особенность хэш-функций — это то, что их нельзя расхэшировать, невозможно вернуть единожды хэшированную строку данных в обратный читабельный вид.

Где используется:
Анализ при помощи хэш-функций часто используется для контроля целостности и сверки уникальности важных файлов операционной системы, программ, а также с целью защиты личных данных на просторах сети Интернет, таких как пароль, ключ или иное значение, которое не требует обратной расшифровки, но требует контроля/сравнения значений.

Какими характеристиками должна обладать хэш-функция:

• Должна уметь выполнять преобразования данных произвольной длины в фиксированную.

• Должна иметь открытый алгоритм, чтобы можно было исследовать её криптостойкость.

• Должна быть односторонней, то есть не должно быть математической возможности по результату определить исходные данные.

• Должна "сопротивляться" коллизиям, т.е. не должна выдавать одинаковых значений при разных входных данных.

• Не должна требовать больших вычислительных ресурсов.

• При малейшем изменении входных данных результат должен существенно изменяться.

Чтобы рассмотреть процесс хэширование во всей его красе, мы будем использовать сопутствующий плагин для фреймворка Flutter:

crypto — сборник криптографических хэш-функций, написанный на чистом языке Dart, поддерживает такие платформы как Android, iOS, Linux, macOS, Windows, Web.

Плагин поддерживает следующие алгоритмы:

• SHA-1

• SHA-224

• SHA-256

• SHA-384

• SHA-512 (вдобавок SHA-512/224, SHA-512/256)

• MD5

• HMAC (в том числе HMAC-MD5, HMAC-SHA1, HMAC-SHA256)

Раздел 2: SHA

SHA ("Secure Hash Algorithm") — одно из самых, если не самое популярное семейство алгоритмов хэширования.

Всего есть 3 основных категории:

• SHA-1 — второй в семействе алгоритм криптографического хэширования, предшественником является SHA-0, который отозвали сославшись на ошибку и позже заменили улучшенной версией, вот этим самым SHA-1. Разработан и опубликован агентством национальной безопасности США в 1995 году, как стандарт для безопасного хэширования. Алгоритм построен на идее функции сжатия.

• SHA-2 — подсемейство криптографических хэш-функций (SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512, SHA-512/224, SHA-512/256), также создано и опубликовано агентством национальной безопасности США, в этот стандарт вдобавок была добавлена функция SHA-1, разработанная в 1995 году. Алгоритмы SHA-2 построены на основе структуры Меркла-Дамгора.

• SHA-3 — Keccak, алгоритм хэширования, победитель конкурса на новый стандарт в 2012 году, который должен был заменить SHA-1 и SHA-2, но т.к. до сегодняшнего дня не было предложено серьезных атак на алгоритм SHA-2, переход на SHA-3 не является необходимым. Алгоритм построен по принципу криптографической губки. Т.к. в рассматриваемом плагине нет реализации данного алгоритма, могу предложить вашему вниманию плагин sha3, написанный на чистом языке Dart и реализующий необходимый функционал.

Примеры хэш-функций c использованием алгоритма SHA (язык Dart):

  static String hashSHA1(String text) {
    return sha1.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

  static String hashSHA224(String text) {
    return sha224.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

  static String hashSHA256(String text) {
    return sha256.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

  static String hashSHA384(String text) {
    return sha384.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

  static String hashSHA512(String text) {
    return sha512.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

  static String hashSHA512224(String text) {
    return sha512224.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

  static String hashSHA512256(String text) {
    return sha512256.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

Раздел 3: MD5

MD ("Message-Digest") — широко использовавшееся семейство хэш алгоритмов.

Включает в себя 6 версий:

• MD1 — закрытый алгоритм, спецификация которого не была опубликована.

• MD2 — был разработан в 1989 году для использования в качестве одного из криптографических алгоритмов, а в 1990 году был предложен в качестве замены BMAC (Bidirectional MAC).

• MD3 — никогда не был опубликован, скорее всего разработка была заброшена.

• MD4 — разработан в 1990 году, из особенностей, используется в протоколе аутентификации MS-CHAP, разработанном корпорацией Майкрософт для выполнения процедур проверки подлинности удаленных рабочих станций Windows.

• MD5 — разработан в 1991 году, является самым популярным алгоритмом из всего семейства, до сегодняшнего дня повсеместно широко используется для проверки целостности информации и хэширования паролей.

• MD6 — разработан в 2008 году, не пользуется огромной популярностью в связи с заявленными самим разработчиком в нем недостатков и проигрыше в конкурсе 2008-2012 годах, в котором и победил новый алгоритм SHA-3, позже алгоритм был улучшен, но популярности ему это не прибавило.

Пример хэш-функции c использованием алгоритма MD5 (язык Dart):

  static String hashMD5(String text) {
    return md5.convert(utf8.encode(text)).toString();
  }

Раздел 4: HMAC

HMAC ("Hash-based Message Authentication Code") — один из механизмов проверки целостности информации, позволяющий гарантировать то, что данные, передаваемые или хранящиеся в ненадёжной среде, не были изменены посторонними лицами.

MAC — стандарт, описывающий способ обмена данными и способ проверки целостности передаваемых данных с использованием секретного ключа.

Два клиента, использующие MAC, как правило, используют общий секретный ключ. HMAC — надстройка над MAC, механизм обмена данными с использованием секретного ключа. В названии может уточняться используемая хеш-функция: HMAC-MD5, HMAC-SHA1, HMAC-RIPEMD160...

Сам механизм был разработан в 1996 году, а в 1997 году был выпущена документация стандарта.

В HMAC данные «смешиваются» с ключом, и хеш-функция применяется дважды.

Преимущества HMAC:

• возможность использования хеш-функций, уже имеющихся в программном продукте.

• отсутствие необходимости внесения изменений в реализации существующих хеш-функций (внесение изменений может привести к ухудшению производительности и ухудшению криптостойкости).

• возможность замены хеш-функции в случае появления более безопасной или более быстрой хеш-функции.

В обязательном порядке применяется для реализации протокола IPsec.

Пример хэш-функции с использованием HMAC и SHA-256 (язык Dart):

  static Hmac hashHMACSHA256(String text, String key) {
    return Hmac(sha256.convert(utf8.encode(text)) as Hash, utf8.encode(key));
  }

Сравнительная таблица

Также хотелось бы обратить ваше внимание на производительность хэш-функций (меньше - лучше):

Данные производительности были взяты из этой статьи про производительность хэш-функций.

Заключение

Подводя итоги, можно сказать одно, что самыми криптостойкими алгоритмами за все время своего существования показало себя семейство SHA, в частности новый стандарт SHA-3 Keccak, который является пионером в плане защиты. Тем не менее, выбор используемого алгоритма для хэширования будет ещё зависеть не только от его безопасности, но и от его скорости, выбирайте с умом.