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1. 定義
單向散列函數(shù)（one-way hash function）是指對不同的輸入值，通過單向散列函數(shù)進(jìn)行計算，得到固定長度的輸出值。這個輸入值稱為消息（message），輸出值稱為散列值（hash value）。
單向散列函數(shù)也被稱為消息摘要函數(shù)（message digest function）、哈希函數(shù)或者雜湊函數(shù)。輸入的消息也稱為原像（pre-image）。輸出的散列值也稱為消息摘要（message digest）或者指紋（fingerprint），相當(dāng)于該消息的身份證。
單向散列函數(shù)有多種實現(xiàn)算法，常見的有：MD5、SHA-1、SHA-2和 SHA-3。
2. 特性
通過上面的定義，我們對單向散列函數(shù)的了解還是模糊的。下面介紹單向散列函數(shù)的特性，加深一下印象。
2.1 散列值長度固定
無論消息的長度有多少，使用同一算法計算出的散列值長度總是固定的。比如 MD5 算法，無論輸入多少，產(chǎn)生的散列值長度總是 128 比特（16字節(jié)）。
然而比特是計算機能夠識別的單位，而我們?nèi)祟惛?xí)慣于使用十六進(jìn)制字符串來表示（一個字節(jié)占用兩位十六進(jìn)制字符）。
2.2 消息不同其散列值也不同
使用相同的消息，產(chǎn)生的散列值一定相同。
使用不同的消息，產(chǎn)生的散列值也不相同。哪怕只有一個比特的差別，得到的散列值也會有很大區(qū)別。
這一特性也叫做抗碰撞性，對于抗碰撞性弱的算法，我們不應(yīng)該使用。
2.3 具備單向性
只能通過消息計算出散列值，無法通過散列值反算出消息。
2.4 計算速度快
計算散列值的速度快。盡管消息越長，計算散列值的時間也越長，但也會在短時間內(nèi)完成。
3. 常見算法
MD5 與 SHA-1 算法已被攻破，不應(yīng)該被用于新的用途；SHA-2 與 SHA-3 還是安全的，可以使用。
SHA-2包括：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。
SHA-3包括：SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512。
| 算法名稱 | 散列值長度 | 是否安全 |
|---|---|---|
| MD5 | 128 | 不安全 |
| SHA-1 | 160 | 不安全 |
| SHA-224 | 224 | 安全 |
| SHA-256 | 256 | 安全 |
| SHA-384 | 384 | 安全 |
| SHA-512 | 512 | 安全 |
| SHA-512/224 | 224 | 安全 |
| SHA-512/256 | 256 | 安全 |
| SHA3-224 | 224 | 安全 |
| SHA3-256 | 256 | 安全 |
| SHA3-384 | 384 | 安全 |
| SHA3-512 | 512 | 安全 |
4. 應(yīng)用場景
單向散列函數(shù)并不能確保信息的機密性，它是一種保證信息完整性的密碼技術(shù)。下面來看它的應(yīng)用場景。
4.1 用戶密碼保護(hù)
用戶在設(shè)置密碼時，不記錄密碼本身，只記錄密碼的散列值，只有用戶自己知道密碼的明文。校驗密碼時，只要輸入的密碼正確，得到的散列值一定是一樣的，表示校驗正確。
為了防止彩虹表破解，還可以為密碼進(jìn)行加鹽處理，只要驗證密碼時，使用相同的鹽即可完成校驗。
使用散列值存儲密碼的好處是：即使數(shù)據(jù)庫被盜，也無法將密文反推出明文是什么，使密碼保存更安全。
4.2 接口驗簽
為了保證接口的安全，可以采用簽名的方式發(fā)送。
發(fā)送者與接收者要有一個共享秘鑰。當(dāng)發(fā)送者向接收者發(fā)送請求時，參數(shù)中附加上簽名（簽名由共享秘鑰 + 業(yè)務(wù)參數(shù)，進(jìn)行單向散列函數(shù)加密生成）。接收者收到后，使用相同的方式生成簽名，再與收到的簽名進(jìn)行比對，如果一致，驗簽成功。
這樣即可以驗證業(yè)務(wù)參數(shù)是否被篡改，又能驗明發(fā)送者的身份。
4.3 文件完整性校驗
文件被掛載到網(wǎng)站時，同時也附上其散列值和算法，比如 Tomcat 官網(wǎng)。
用戶下載后，計算其散列值，對比結(jié)果是否相同，從而校驗文件的完整性。
4.4 云盤秒傳
當(dāng)我們將自己喜歡的視頻放到網(wǎng)盤上時，發(fā)現(xiàn)只用了幾秒的時間就上傳成功了，而這個文件有幾個G大小，是怎么做到的呢？
其實這個“秒傳”功能可以利用單向散列函數(shù)來實現(xiàn)。
當(dāng)我們上傳一個文件時，云盤客戶端會先為該文件生成一個散列值。拿著這個散列值去數(shù)據(jù)庫中匹配，如果匹配到，說明該文件已經(jīng)在云服務(wù)器存在。只需將該散列值與用戶進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便可完成本次“上傳”。
這樣，一個文件在云服務(wù)器上只會存一份，大大節(jié)約了云服務(wù)器的空間。
5. 代碼實現(xiàn)
JDK的 java.security.MessageDigest 類為我們提供了消息摘要算法，用于 MD5和SHA的散列值生成。下面代碼做了簡單的封裝，便于直接使用。
public class MDUtil {
/**
* MD5 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 32位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String MD5(byte[] data) {
try {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] bytes = md.digest(data);
return bytesToHexString(bytes);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
return "";
}
/**
* MD5 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 32位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String MD5(String data) {
return MD5(data.getBytes());
}
/**
* SHA-1 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 40位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA1(byte[] data) {
try {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
byte[] bytes = md.digest(data);
return bytesToHexString(bytes);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
return "";
}
/**
* SHA-1 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 40位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA1(String data) {
return SHA1(data.getBytes());
}
/**
* SHA-224 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 56位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA224(byte[] data) {
try {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-224");
byte[] bytes = md.digest(data);
return bytesToHexString(bytes);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
return "";
}
/**
* SHA-224 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 56位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA224(String data) {
return SHA224(data.getBytes());
}
/**
* SHA-256 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 64位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA256(byte[] data) {
try {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
byte[] bytes = md.digest(data);
return bytesToHexString(bytes);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
return "";
}
/**
* SHA-256 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 64位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA256(String data) {
return SHA256(data.getBytes());
}
/**
* SHA-384 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 96位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA384(byte[] data) {
try {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-384");
byte[] bytes = md.digest(data);
return bytesToHexString(bytes);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
return "";
}
/**
* SHA-384 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 96位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA384(String data) {
return SHA384(data.getBytes());
}
/**
* SHA-512 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 128位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA512(byte[] data) {
try {
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-512");
byte[] bytes = md.digest(data);
return bytesToHexString(bytes);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
return "";
}
/**
* SHA-512 加密
*
* @param data 要加密的數(shù)據(jù)
* @return 128位十六進(jìn)制字符串
*/
public static String SHA512(String data) {
return SHA512(data.getBytes());
}
/**
* 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
*
* @param bytes 字節(jié)數(shù)組
* @return 十六進(jìn)制字符串
*/
private static String bytesToHexString(byte[] bytes) {
StringBuilder hexValue = new StringBuilder();
for (byte b : bytes) {
int val = b & 0xFF;
if (val < 16) {
hexValue.append("0");
}
hexValue.append(Integer.toHexString(val));
}
return hexValue.toString();
}
}
下面分別使用這些算法計算“123456”的散列值：
public static void main(String[] args) {
System.out.println("MD5\t\t" + MDUtil.MD5("123456"));
System.out.println("SHA-1\t" + MDUtil.SHA1("123456"));
System.out.println("SHA-224\t" + MDUtil.SHA224("123456"));
System.out.println("SHA-256\t" + MDUtil.SHA256("123456"));
System.out.println("SHA-384\t" + MDUtil.SHA384("123456"));
System.out.println("SHA-512\t" + MDUtil.SHA512("123456"));
}
輸出結(jié)果：
MD5 e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e
SHA-1 7c4a8d09ca3762af61e59520943dc26494f8941b
SHA-224 f8cdb04495ded47615258f9dc6a3f4707fd2405434fefc3cbf4ef4e6
SHA-256 8d969eef6ecad3c29a3a629280e686cf0c3f5d5a86aff3ca12020c923adc6c92
SHA-384 0a989ebc4a77b56a6e2bb7b19d995d185ce44090c13e2984b7ecc6d446d4b61ea9991b76a4c2f04b1b4d244841449454
SHA-512 ba3253876aed6bc22d4a6ff53d8406c6ad864195ed144ab5c87621b6c233b548baeae6956df346ec8c17f5ea10f35ee3cbc514797ed7ddd3145464e2a0bab413
我用的是Java8，還不支持 SHA-3，所以上面代碼只封裝了MD5、SHA-1和SHA-2。
從Java9開始支持SHA-3
6. 完整代碼
完整代碼請訪問我的Github，若對你有幫助，歡迎給個Star，謝謝！
