Журнал «Компьютерра» N 9 от 06 марта 2007 года

В отличие от более привычных терминов «шифр» или «ключ» словосочетание «однонаправленная хеш-функция» по сию пору может звучать замысловато даже для людей, достаточно близко знакомых с принципами работы компьютера и его программ. Однако суть этой конструкции прозрачна. Хеш-функция - это (с точностью до деталей) такое математическое преобразование, которое на входе получает файл или «сообщение» произвольной длины и вычисляет для него подающийся на выход «дайджест» (иначе именуемый также «хеш» или «цифровой отпечаток»), то есть последовательность фиксированной (сравнительно небольшой) длины и уникального вида. В принципе, все хеш-функции устроены примерно одинаково - как многократное повторение итераций (циклов) некоторого хитрого преобразования, постепенно ужимающего файл до длины дайджеста с одновременным мощным перемешиванием битов содержимого.

Всякая хорошая хеш-функция действует так, что даже единственное изменение байта или бита в файле на входе приводит на выходе к хеш-значению совершенно иного вида. Иногда даже требуют, чтобы при изменении единственного бита на входе менялось не менее половины битов на выходе - это условие называют лавинным свойством (avalanche property). Кроме того, чтобы быть полезной в криптографии, хеш-функция должна обладать еще двумя важнейшими свойствами.

Во-первых, криптографические хеш-функции должны быть однонаправленными. Под этим принято понимать легкое вычисление в одну сторону и невозможность вычисления в обратную. Иначе говоря, всегда можно и удобно подать нечто на вход и быстро получить соответствующее хеш-значение на выходе, однако нет никакой возможности за разумное время по выходному значению хеш-функции вычислить, что подавалось на вход.

Во-вторых, криптографические хеш-функции не должны иметь коллизий. Это означает, что хотя для каждого хеш-значения в принципе имеется бесконечное число вариантов входных последовательностей, нельзя отыскать два разных входа, дающих одинаковый дайджест (образующих «коллизию»). «Нельзя» здесь понимается опять-таки в вычислительном смысле - «невозможно за приемлемое в реальных условиях время».

Наиболее типичный и повсеместно распространенный способ применения криптографического хеширования - это проверка целостности сообщений. Для простой проверки того, были ли внесены какие-то изменения или искажения в файл на этапе доставки, очень удобно сравнивать дайджесты, вычисляемые до и после передачи информации (или извлечения файла из хранилища, или любого другого события). Другая, близко связанная с первой область - цифровая подпись. Из соображений общей безопасности и для существенного ускорения обработки подавляющее большинство алгоритмов цифровой подписи устроены так, что всегда «подписывается» только дайджест сообщения, а не весь файл.

Еще одно важное приложение - верификация правильности пароля доступа. Пароли обычно не хранят в открытом виде - чтобы они не становились легкой добычей похитителей и злоумышленников. Вместо этого в базе хранятся дайджесты паролей. Тогда система, чтобы проверить подлинность пользователя, хеширует представленный им пароль и сравнивает результат со значением, хранящимся в базе дайджестов паролей. И это, конечно, далеко не все. Благодаря свойствам рандомизации, хеш-функции могут использоваться в качестве генераторов псевдослучайных чисел, а благодаря блочной структуре, они иногда выступают в качестве основы алгоритмов шифрования - блочных и поточных. Бывает и наоборот, когда блочный шифр становится основой криптопреобразования, применяемого в циклах хеш-функции.

Короче говоря, хеш-функции стали чуть ли не важнейшим элементом современной криптографии. Они обеспечивают безопасность в повсеместно применяемом протоколе защищенных веб-соединений SSL. Они помогают организовывать эффективное управление ключами в защищенной электронной почте и в программах шифрования телефонии, начиная от самых известных, вроде PGP или Skype, и заканчивая всеми остальными. Если говорить о сетевой безопасности, то хеш-функции используются и в виртуальных частных сетях, и в защите системы доменных имен DNS, и для подтверждения того, что автоматические обновления программ являются подлинными. Внутри операционной системы хеш-функции так или иначе задействованы практически во всех структурах, обеспечивающих безопасность. Иными словами, каждый раз, когда в компьютере или сети происходит что-то, подразумевающее защиту информации, рано или поздно в действие непременно вступает хеш-функция.

Что применяют?

Наиболее широко используемые в мире алгоритмы криптографического хеширования - это SHA-1, MD5 и RIPEMD-160 (если же говорить о России, то еще и ГОСТ Р34.11-94, она же «центробанковская» хеш-функция).

Все самые популярные криптоалгоритмы хеширования построены на единой основе - семействе функций MD (от Message Digest - «дайджест сообщения»), разработанных известным американским ученым Рональдом Райвестом. Поначалу самым удачным считался алгоритм MD4, а когда в нем нашли слабости, Райвест придумал усиленную модификацию под названием MD5.