哈希——它是什么，加密算法及应用

什么是哈希？

哈希——计算哈希函数的过程，该函数将任意输入数据集转换为固定长度的比特串，称为摘要或哈希值。与加密不同，哈希是一个单向过程：无法从哈希恢复原始数据。

哈希函数的基本属性

加密哈希函数具有四个必要属性：确定性（相同的输入始终产生相同的哈希）、不可逆性（从计算上无法从哈希恢复输入）、雪崩效应（输入中一个比特的变化平均改变哈希的一半比特）和抵御碰撞（从计算上无法找到两个不同的输入产生相同的哈希）。

哈希与加密的区别

理解哈希与加密之间的区别很重要。加密是一个双向过程：加密数据可以用密钥解密。哈希是一个单向过程：转换后数据无法恢复。这一属性使哈希成为存储密码的理想方式：系统只存储哈希，即使数据库泄露，密码也会受到保护。

加密和非加密哈希函数

并非所有哈希函数都同样适合安全任务。在选择移动开发中特定任务的算法时，将其分为加密和非加密类别至关重要。

加密哈希函数

这些函数故意设计得缓慢且复杂，以增加暴力破解攻击的难度。它们必须抵御碰撞和预像攻击。SHA-2家族（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）已获得NIST认证，并被推荐用于政府系统。对于密码哈希，还使用bcrypt、scrypt和Argon2等算法，具有可配置的复杂度。

非加密哈希函数

这些函数优化于速度而非安全性。示例：CityHash、MurmurHash、xxHash。它们用于哈希表、数据去重和校验和，以快速检查非关键数据的完整性。切勿将它们用于存储密码或验证数字签名——高速使它们容易受到暴力破解攻击。

常用哈希算法

让我们看看现代移动开发中最常用的哈希算法。每一种都有其优缺点。

SHA-256

SHA-256——现代加密的象征，由NIST在FIPS 180-4标准框架内推荐。该算法产生256位摘要，是TLS协议、区块链网络和版本控制系统的主要组成部分。根据NCC Group（2025）报告，SHA-256用于96%的TLS证书签名，用于签署证书透明度。

SHA-3——SHA-2的后继者

SHA-3——NIST于2015年作为FIPS 202标准化的最新哈希函数家族。与基于Merkle–Damgård结构的SHA-2不同，SHA-3基于不同的Keccak构造，采用海绵函数。这使得SHA-3能够抵御未来可能出现在SHA-2上的攻击。对于移动开发者，SHA-3可通过标准加密库从Android 7.0和iOS 13开始使用。

import java.security.MessageDigest

fun hashWithSHA256(input: String): String {
    val digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256")
    val hashBytes = digest.digest(input.toByteArray())
    return hashBytes.joinToString("") { String.format("%02x", it) }
}

bcrypt对于密码

对于存储密码，普通的加密哈希不够用——它们太快了。bcrypt是专门为密码哈希设计的：它包含盐和用于调节计算时间的成本参数。将成本提高2倍会使哈希时间翻倍，使暴力破解攻击即使在强大硬件上也无效。

import at.favre.lib.crypto.bcrypt.BCrypt

fun hashPassword(password: String): String {
    return BCrypt.create()
        .hashToString(BCrypt.MIN_COST, password.toCharArray())
}

fun verifyPassword(password: String, hash: String): Boolean {
    val result = BCrypt.verifyer().verify(password.toCharArray(), hash)
    return result.verified
}

Argon2——现代标准

Argon2——Password Hashing Competition（2015）的冠军，被OWASP推荐为密码哈希的最佳选择。Argon2id——能抵御侧通道攻击和时间-内存权衡攻击的变体。与bcrypt不同，Argon2允许单独配置执行时间、内存使用和并行程度，为各种类型的攻击提供灵活的保护。

哈希在移动应用中的应用

哈希在移动开发中解决许多实际问题——从用户认证到检查下载文件的完整性。让我们看看主要的使用场景。

密码存储

主要场景——在服务器端安全存储密码。注册时，应用将密码发送到服务器，在那里用bcrypt或Argon2算法加盐哈希并存储在数据库中。登录时，服务器哈希输入的密码并与存储的哈希进行比较。OWASP推荐使用Argon2id，参数如下：时间2秒，内存64 MB，并行程度4。

文件完整性检查

在下载大型文件（如OBB包或内容更新）时，移动应用可以通过哈希检查其完整性。服务器公布文件的SHA-256哈希，应用计算下载数据的哈希并进行比较。这保证文件在传输过程中未受损或被替换。根据Google Play Console（2025），认证应用的哈希验证可防止达99.9%的损坏下载攻击。

缓存和去重

哈希被广泛用于构建高效缓存和数据去重。图片地址或JSON响应被哈希并用作缓存键：在重复请求时，系统比较哈希，如果数据未变，则返回存储的结果。对于这一任务，适合使用MurmurHash或xxHash等非加密哈希函数，它们提供最佳性能。

import java.security.MessageDigest

fun calculateFileHash(fileBytes: ByteArray): String {
    val digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256")
    val hash = digest.digest(fileBytes)
    return hash.joinToString("") { String.format("%02x", it) }
}

fun verifyIntegrity(data: ByteArray, expectedHash: String): Boolean {
    val actualHash = calculateFileHash(data)
    return actualHash == expectedHash
}

使用哈希时的常见错误

即使是经验丰富的开发者在使用哈希时也会犯错误。让我们看看最常见的问题，这些问题可能使加密保护的所有优势化为乌有。

使用MD5或SHA-1

MD5和SHA-1——过时的算法，已有实用的碰撞攻击。MD5于2004年被一组中国研究者破解（一小时内碰撞）。SHA-1于2017年被Google和Centrum Wiskunde & Informatica团队破解（SHAttered攻击）。根据OWASP分类，在新项目中使用这些算法被视为严重安全错误。

无盐哈希

无盐哈希密码——致命漏洞。盐是一个随机字符串，对每个用户唯一，在哈希之前添加到密码中。没有盐，两个相同的密码将产生相同的哈希，这使得攻击者可以使用彩虹表进行暴力破解。OWASP推荐使用加密强盐，长度至少32字节，为每个用户单独生成。

迭代次数不足

即使使用bcrypt或Argon2，选择过低的成本参数也会削弱保护。根据OWASP（2025），bcrypt的最小迭代次数应为10（2^10 = 1024次迭代），Argon2id在目标平台上的计算时间至少1秒。过低的参数使暴力破解攻击在GPU农场上实际可行。