加密哈希函數（Cryptographic Hash Function）是密碼學和計算機科學領域中一類非常重要的演算法。 它將任意長度的輸入數據（稱為消息）轉換為固定長度的輸出（稱為哈希值、摘要或散列值），並且具有一些特定的安全性特徵。 加密哈希函數廣泛應用於數據完整性驗證、數字簽名、消息認證碼、密碼學協定以及區塊鏈技術等領域。
加密哈希函數的特性
加密哈希函數之所以被廣泛應用於密碼學領域，主要是因為它具有以下幾個重要特性：
- 確定性：相同的輸入總是會生成相同的輸出。 這意味著每次對同一輸入執行哈希運算，結果應該一致。
- 快速計算：對於任意輸入，都能在有限時間內快速計算出哈希值。 哈希函數的設計目的是為了高效地處理大量數據。
- 預像抗性：給定哈希值 y，幾乎不可能找到一個輸入 x 使得 H（x） = y。 這使得攻擊者無法通過已知哈希值逆推出原始輸入，保護了數據的隱私性。
- 第二預像抗性：給定輸入 x1，幾乎不可能找到另一個不同的輸入 x2 使得 H（x1） = H（x2）。 這防止了攻擊者偽造數據或找到與原始輸入相同哈希值的替代輸入。
- 抗碰撞性：幾乎不可能找到兩個不同的輸入 x1 和 x2 使得 H（x1） = H（x2）。 抗碰撞性確保了不同的數據不會被映射為相同的哈希值，這對於數據完整性驗證非常重要。
- 雪崩效應：哈希函數具有非常敏感的輸入依賴性，即使輸入的微小變化（例如一個比特的改變）也會導致輸出的哈希值發生極大變化。 這種特性有助於防止攻擊者通過分析相似輸入來推測哈希函數的輸出模式。
常見的加密哈希函數
- MD5（Message Digest Algorithm 5）：
MD5 是一種常見的哈希演算法，輸出固定長度為 128 位（16 位元組）的哈希值。 MD5 在 1991 年由 Ronald Rivest 提出，最初廣泛應用於文件校驗和數字簽名。 然而，隨著時間推移，MD5 被發現存在嚴重的安全漏洞，尤其是其抗碰撞性較弱，攻擊者可以在合理時間內找到相同哈希值的不同輸入。 因此，MD5 在現代密碼學應用中已逐步被淘汰。 - SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）：SHA-1 是由美國國家安全局（NSA）設計，並由國家標準與技術研究所（NIST）發佈的哈希演算法。 它的輸出長度為160位（20位元組）。 SHA-1 曾被廣泛用於數位簽名和證書頒發等應用中。 然而，隨著計算能力的提升，SHA-1 的碰撞攻擊變得切實可行，NIST 已在 2011 年宣佈將其淘汰，並建議使用更安全的 SHA-256 或 SHA-3。
- SHA-256 和 SHA-3：SHA-2 家族中的 SHA-256 和 SHA-512 目前是主流的加密哈希函數之一。 SHA-256 產生 256 位（32 位元元組）的哈希值，具有較高的安全性，廣泛用於比特幣等區塊鏈技術中。 SHA-3 是一種新型哈希演算法，基於 Keccak 演算法，於 2015 年被 NIST 採用，作為應對未來潛在攻擊的補充方案。
哈希函數的安全性挑戰
儘管加密哈希函數在許多領域中發揮著至關重要的作用，但它們並非無瑕疵地。 隨著計算能力的提升，一些曾經被認為安全的哈希演算法（如 MD5 和 SHA-1）已被證明存在漏洞。 碰撞攻擊和預像攻擊等理論上的威脅在實踐中變得可行，這促使安全領域不斷研究和開發新的哈希演算法。
例如，SHA-1 在 2017 年被谷歌首次成功實施了碰撞攻擊，顯示了其安全性的嚴重缺陷。 現代密碼學推薦使用 SHA-256 或更強的 SHA-3 來替代這些已被破解的哈希演算法。
結論
加密哈希函數是現代密碼學中的基石，它為數據完整性驗證、數位簽名、密碼存儲等提供了安全的基礎。 儘管一些老舊的哈希演算法已經不再安全，但隨著新型哈希演算法的不斷發展，加密哈希函數仍然在資訊安全中發揮著至關重要的作用。 未來，隨著量子計算等新技術的興起，哈希函數的安全性仍將面臨新的挑戰，因此持續的研究和創新是確保資訊安全的關鍵。
