openssl哈希算法

一、什么是哈希算法，哈希算法有什么作用

什么是哈希算法？

哈希算法（Hash Algorithm）是一类特殊的数学函数，用于将任意长度的输入数据映射为固定长度的输出数据，这个输出通常称为哈希值、消息摘要或指纹。

哈希算法的主要特性

1. 固定长度输出：
   • 无论输入数据的长度是多少，哈希算法都能产生长度固定的哈希值（例如，SHA-256 的输出始终是 256 位）。
2. 不可逆性：
   • 根据哈希值，无法还原出原始输入数据。
3. 雪崩效应：
   • 输入的微小变化（如改变一个字母）会导致输出的哈希值发生巨大变化。
4. 抗碰撞性：
   • 很难找到两个不同的输入数据，经过哈希后得到相同的输出（称为“哈希碰撞”）。
5. 快速计算：
   • 哈希算法的设计使其能够快速生成哈希值，适合大规模数据处理。

哈希算法的作用

哈希算法在现代计算机系统中具有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：

1. 数据完整性验证

哈希算法可以用来检测数据在传输或存储过程中是否被篡改。

• 在传输数据之前生成哈希值，并随数据一起发送。
• 接收方重新计算哈希值并与发送的哈希值对比，如果一致则数据未被篡改。

应用场景：

• 文件校验（例如 MD5 或 SHA-256 校验）。
• 软件分发中的校验码。

2. 密码存储

用户密码在存储时不会直接保存原文，而是保存经过哈希处理的值（通常还会加盐）。

• 用户登录时输入的密码会再次哈希并与存储的哈希值对比，以验证身份。
• 即使存储系统被攻破，也难以还原用户密码。

常用算法：

• SHA-2 家族（SHA-256）。
• bcrypt、scrypt（专为密码存储设计）。

3. 数字签名和数字证书

哈希算法用于生成文档的唯一摘要，用于签名和验证：

• 数字签名：
  • 文档哈希值由私钥加密，接收方用公钥解密验证，确保文档未被篡改。
• 数字证书：
  • 通过哈希算法和证书颁发机构签名，确认网站或软件的可信性。

4. 数据索引

哈希算法被广泛应用于高效的数据查找和索引。

• 哈希表（Hash Table）：
  • 将数据通过哈希函数映射到特定的存储位置，实现快速查找。
• 缓存系统：
  • 哈希算法用于生成唯一键值，定位缓存数据。

5. 区块链和加密货币

在区块链中，哈希算法用于确保数据完整性和生成区块链结构。

• 区块链：
  • 每个区块都包含前一个区块的哈希值，形成链式结构，确保篡改后无法通过验证。
• 加密货币挖矿：
  • 使用工作量证明（PoW）机制，矿工需要找到满足特定条件的哈希值。

6. 消息认证与密钥验证

哈希算法结合密钥可用于生成消息认证码（MAC），确保消息来源和内容未被篡改。

• 例如 HMAC（基于哈希的消息认证码）。

7. 文件去重

在文件管理系统中，使用哈希值检测重复文件，因为相同的文件会生成相同的哈希值。

常见哈希算法

1. MD5（Message Digest 5）：

   • 输出长度：128 位。
   • 特点：速度快，但抗碰撞性差，已被淘汰。

2. SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）：

   • 输出长度：160 位。
   • 特点：更安全，但已被发现存在漏洞，逐渐淘汰。

3. SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）：

   • 输出长度：224 至 512 位。
   • 特点：安全性高，广泛使用。

4. SHA-3（基于 Keccak 算法）：

   • 输出长度：224 至 512 位。
   • 特点：最新标准，安全性更高。

5. 其他算法：

   • RIPEMD、Whirlpool 等。

总结

哈希算法是现代信息技术中的核心工具，其作用涵盖了数据完整性验证、安全存储、加密验证、高效索引等多个领域。选择合适的哈希算法取决于具体的应用场景及安全性需求。

二、各类哈希算法的代码实现

以下是使用 OpenSSL 实现常见哈希算法的 C 代码示例，包括 MD5、SHA-1、SHA-2 和 SHA-3 的实现。

完整示例代码

#include <openssl/evp.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

void compute_hash(const char *algorithm, const char *data) {
    // 初始化 OpenSSL 哈希上下文
    EVP_MD_CTX *ctx = EVP_MD_CTX_new();
    const EVP_MD *md = EVP_get_digestbyname(algorithm);

    if (md == NULL) {
        printf("Unsupported algorithm: %s\n", algorithm);
        EVP_MD_CTX_free(ctx);
        return;
    }

    // 初始化哈希计算
    EVP_DigestInit_ex(ctx, md, NULL);

    // 提供输入数据
    EVP_DigestUpdate(ctx, data, strlen(data));

    // 获取哈希值
    unsigned char hash[EVP_MAX_MD_SIZE];
    unsigned int hash_len = 0;
    EVP_DigestFinal_ex(ctx, hash, &hash_len);

    // 打印哈希值
    printf("%s hash of \"%s\": ", algorithm, data);
    for (unsigned int i = 0; i < hash_len; i++) {
        printf("%02x", hash[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放上下文
    EVP_MD_CTX_free(ctx);
}

int main() {
    const char *data = "Hello, OpenSSL!";

    // 计算并打印不同算法的哈希值
    compute_hash("MD5", data);        // MD5
    compute_hash("SHA1", data);       // SHA-1
    compute_hash("SHA224", data);     // SHA-224
    compute_hash("SHA256", data);     // SHA-256
    compute_hash("SHA384", data);     // SHA-384
    compute_hash("SHA512", data);     // SHA-512
    compute_hash("SHA3-256", data);   // SHA-3 (256 位)
    compute_hash("SHA3-512", data);   // SHA-3 (512 位)

    return 0;
}

代码说明

1. 核心函数：compute_hash

   • 输入参数：
     • algorithm：指定哈希算法名称，例如 MD5、SHA256、SHA3-256。
     • data：要计算哈希值的输入数据。
   • 功能：
     • 使用 OpenSSL 的 EVP 接口计算哈希值。
     • 打印结果。

2. 支持的算法名称

   • MD5: "MD5"
   • SHA-1: "SHA1"
   • SHA-2: "SHA224", "SHA256", "SHA384", "SHA512"
   • SHA-3: "SHA3-224", "SHA3-256", "SHA3-384", "SHA3-512"

3. 主要步骤

   • 初始化哈希上下文：EVP_MD_CTX_new。
   • 获取哈希算法：EVP_get_digestbyname。
   • 提供输入数据：EVP_DigestUpdate。
   • 计算哈希值：EVP_DigestFinal_ex。

4. 安全性

   • 推荐在安全场景中使用 SHA-2 或 SHA-3，避免使用 MD5 和 SHA-1。

运行结果：

三、使用命令行哈希算法

使用 OpenSSL 命令行工具，可以非常方便地计算各种哈希值，包括 MD5、SHA-1、SHA-2 和 SHA-3 等。以下是具体的操作方法：

1. 基本格式

openssl dgst -<算法名称> <文件名>

2. 常见哈希算法命令

（1）MD5

计算文件的 MD5 哈希值：

openssl dgst -md5 file.txt

输出示例：

MD5(file.txt)= 098f6bcd4621d373cade4e832627b4f6

（2）SHA-1

计算文件的 SHA-1 哈希值：

openssl dgst -sha1 file.txt

输出示例：

SHA1(file.txt)= 356a192b7913b04c54574d18c28d46e6395428ab

（3）SHA-2 系列

• SHA-224：

  openssl dgst -sha224 file.txt
  

• SHA-256：

  openssl dgst -sha256 file.txt
  

• SHA-384：

  openssl dgst -sha384 file.txt
  

• SHA-512：

  openssl dgst -sha512 file.txt
  

（4）SHA-3 系列

需要支持 OpenSSL 1.1.1 或更高版本。

• SHA3-224：

  openssl dgst -sha3-224 file.txt
  

• SHA3-256：

  openssl dgst -sha3-256 file.txt
  

• SHA3-384：

  openssl dgst -sha3-384 file.txt
  

• SHA3-512：

  openssl dgst -sha3-512 file.txt
  

3. 计算字符串的哈希值

可以通过 echo 命令和管道计算字符串的哈希值：

（1）计算字符串的 MD5

echo -n "Hello, OpenSSL!" | openssl dgst -md5

输出示例：

(stdin)= 3a01be9d860c380a1df0df857d17ff86

（2）计算字符串的 SHA-256

echo -n "Hello, OpenSSL!" | openssl dgst -sha256

输出示例：

(stdin)= c38c1d067d2c4d99925160a8e53947e68890a5a4b6f76af71c818c48b995f456

（3）计算字符串的 SHA3-512

echo -n "Hello, OpenSSL!" | openssl dgst -sha3-512

输出示例：

(stdin)= a194121050c3cfa2fb23aefc46f057b7200a48602e8bfc8e8616a60a81df91c60635651c1f67dc75e3a0271da36563585b2a91673ae0438efb4c3af5bd529554

注意：

• -n 参数用于避免 echo 命令在字符串末尾添加换行符。
• | 用于将字符串作为输入传递给 openssl dgst。

4. 其他选项

（1）输出二进制哈希值

如果需要二进制格式的哈希值，可以使用 -binary：

openssl dgst -sha256 -binary file.txt > hash.bin

（2）指定输出为十六进制

默认输出为十六进制格式，但你可以显式指定：

openssl dgst -sha256 -hex file.txt

（3）验证文件完整性

可以通过哈希值验证文件是否被篡改。例如：

• 计算文件哈希值并保存：

  openssl dgst -sha256 file.txt > file.hash
  

• 验证文件：

  openssl dgst -sha256 -verify file.hash file.txt
  

5. 示例操作

假设有一个文件 example.txt，内容为 Hello, OpenSSL!。

计算 MD5

openssl dgst -md5 example.txt

输出：

MD5(example.txt)= 3a01be9d860c380a1df0df857d17ff86

计算 SHA-256

openssl dgst -sha256 example.txt

输出：

SHA256(example.txt)= c38c1d067d2c4d99925160a8e53947e68890a5a4b6f76af71c818c48b995f456

计算 SHA3-512

openssl dgst -sha3-512 example.txt

输出：

SHA3-512(example.txt)= a194121050c3cfa2fb23aefc46f057b7200a48602e8bfc8e8616a60a81df91c60635651c1f67dc75e3a0271da36563585b2a91673ae0438efb4c3af5bd529554

通过这些命令，你可以快速计算文件或字符串的哈希值，适用于验证数据完整性和加密需求。