常见哈希算法
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MD5：32 位，单向哈希，不可逆，速度快，破解难度低

SHA256：256 位，单向哈希，不可逆，速度较快，破解难度中等

BCrypt：可变位数，单向哈希，不可逆，速度慢，破解难度高

PBKDF2：可变位数，单向哈希，不可逆，速度可调，破解难度可调

Scrypt：可变位数，单向哈希，不可逆，速度慢，破解难度高

加盐，在输入信息中随机添加字符串（salt）以提高哈希算法的安全性

MD5 算法

MD5 消息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个 128 位（16 个字符 (BYTES)）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致

MD5 算法存在隐患（无法阻止碰撞攻击），因此不适用于安全性认证

MD5 输入是不定长度信息，输出则是固定长度 128-bits

MD5("The quick brown fox jumps over the lazy dog")
= 9e107d9d372bb6826bd81d3542a419d6
# 实际输出为32位的16进制数据

MD5 计算过程（图源）：

  • 先填充（第一位填充1，其余位填充0）再分为 N 组
  • 每组划分为 16 个子分组，分别进行 FF、GG、HH、II 运算 4 次
  • 其中 FF 运算过程为：a = b + ( (a + F (b, c, d) + Mj + ti) <<< s)
  • a，b，c，d 为随机初始化的 32bit 的 16 位字符串，其在计算过程中不断更新，以累积输入的信息，总共迭代计算 $64=16\times 4$ 次；Mj 为当前子分组数据；ti 为常量；s 为左移的位数，也是常量
  • GG、HH、II 运算过程是将 F 函数替换为 G、H、I 函数，其他不变
  • 最后将在子分组计算更新后的 a，b，c，d 拼接，得到最终的 MD5

由于计算过程均为位运算，因此 MD5 的计算非常快

其中的 F 、G、H、I 函数对应公式如下： $$ \begin{aligned} &F(X,Y,Z)=(X\wedge Y)\vee(\neg X\wedge Z) \\ &G(X,Y,Z)=(X\wedge Z)\vee(Y\wedge\neg Z) \\ &H(X,Y,Z)=X\oplus Y\oplus Z \\ &I(X,Y,Z)=Y\oplus(X\vee\neg Z) \end{aligned} $$

  • $\oplus$，$\vee$，$\wedge$，$\neg$ 分别表示 XOR, AND, OR_ , _NOT

SHA 算法

SHA（安全哈希算法，Secure Hash Algorithms），是由美国联邦信息处理标准 (FIPS) 发布的一系列加密哈希算法

  • SHA-0：1993年发布，160 位，因安全隐患被撤回
  • SHA-1：1995年发布，160 位，类似早期的 MD5 算法
  • SHA-2：2001年发布，包含 SHA-256 和 SHA-512 两个系列
  • SHA-3，2015年发布，哈希长度与 SHA-2 类型，但内部结构不同

目前建议使用 SHA-2 或 SHA-3 中的 256、384、512

SHA-256 输出一个256位（32字节）的哈希值，通常以64 位 16 进制表示

类似于 MD5，SHA 算法也需要填充、分组和计算

SHA256 算法用到了 8个哈希初值以及64个哈希常量（细节略）

Bcrypt

Bcrypt 是一种根据 Blowfish 加密算法所设计的密码散列函数。BCrypt 可以通过工作因子（work factor）来调整哈希计算的复杂度，这个工作因子随着时间的推移可以增加，以抵御硬件性能的提升

PHP7 以上版本都默认使用该方法来处理密码

Bcrypt 算法生成的值由 4 部分组成：

  • 2a 表示 Bcrypt 算法；salt 为一个 128bits 随机字符串
  • Ounds：是轮值因子，代表执行 hash 的次数，数值越高越安全，默认是10
  • Hash: 经过明文密码加盐后进行 hash 得到的值（可变位数）

Blowfish 加密算法过程概述：

  1. 密钥初始化：通过密钥扩展过程将密钥（可以是任意长度从 32 位到 448 位）转换成一系列子密钥。这些子密钥会在后面的加密过程中使用（需要大量的计算）
  2. 分块处理：将加密的数据分割成固定大小的块（每块 64 位，不够就填充）
  3. Feistel 网络：Feistel 网络包含了多轮的加密过程，每一轮都会使用一个子密钥。在每一轮中，数据块被分为两半，然后进行一系列的运算（比如替换和置换操作）
  4. 输出结果：经过多轮 Feistel 网络的处理后，最终的结果再次组合成一个 64 位的块，这就是加密后的数据块。然后，算法会继续处理下一个数据块，直到所有的数据都被加密
  5. 解密过程：使用相同的子密钥（但顺序相反），通过 Feistel 网络的逆过程来恢复原始数据

Bcrypt 算法就是对字符串进行64次 blowfish 加密得到的结果

PBKDF2

基于密码的密钥导出函数（Password-Based Key Derivation Function）

PBKDF2 将伪随机函数（例如基于哈希的消息身份验证代码 HMAC）应用于输入密码或密码短语以及盐值，并多次重复该过程以生成派生密钥，然后可以将其用作加密密钥在后续的操作中。增加的计算工作使密码破解变得更加困难，这被称为密钥拉伸（key stretching）

PBKDF2 的迭代次数越多，攻击者尝试破解密码所需的时间就越长

2023 年，OWASP（全球性安全组织） 建议对 PBKDF2-HMAC-SHA256 使用 600,000 次迭代，对 PBKDF2-HMAC-SHA512 使用 210,000 次迭代

Scrypt

Scrypt 设计时考虑到大规模的客制硬件攻击而刻意设计需要大量内存运算，该算法需要产生大量伪随机性（pseudorandom）资料作为计算的基础

Scrypt 算法会产生一个 p（十万~百万）个块元素的数组，对于每个块元素，都进行一系列复杂运算生成的哈希值，最后对整个数组再进行 PBKDF2-HMAC-SHA256 运算得到最终结果

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