一文搞懂單向散列加密：MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-3 詳情 - java,信息安全,md5,sha1 碼農StayUp 博客

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1. 定義

單向散列函數（one-way hash function）是指對不同的輸入值，通過單向散列函數進行計算，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

單向散列函數也被稱為消息摘要函數（message digest function）、哈希函數或者雜湊函數。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），相當於該消息的身份證。

單向散列函數有多種實現算法，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的瞭解還是模糊的。下面介紹單向散列函數的特性，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，產生的散列值長度總是 128 比特（16字節）。

然而比特是計算機能夠識別的單位，而我們人類更習慣於使用十六進制字符串來表示（一個字節佔用兩位十六進制字符）。

散列值長度固定

2.2 消息不同其散列值也不同

使用相同的消息，產生的散列值一定相同。

使用不同的消息，產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別。

這一特性也叫做抗碰撞性，對於抗碰撞性弱的算法，我們不應該使用。

消息不同其散列值也不同

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。

具備單向性

2.4 計算速度快

計算散列值的速度快。儘管消息越長，計算散列值的時間也越長，但也會在短時間內完成。

3. 常見算法

MD5 與 SHA-1 算法已被攻破，不應該被用於新的用途；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. 應用場景

單向散列函數並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。下面來看它的應用場景。

4.1 用户密碼保護

用户在設置密碼時，不記錄密碼本身，只記錄密碼的散列值，只有用户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，還可以為密碼進行加鹽處理，只要驗證密碼時，使用相同的鹽即可完成校驗。

用户密碼保護

使用散列值存儲密碼的好處是：即使數據庫被盜，也無法將密文反推出明文是什麼，使密碼保存更安全。

4.2 接口驗籤

為了保證接口的安全，可以採用簽名的方式發送。

發送者與接收者要有一個共享秘鑰。當發送者向接收者發送請求時，參數中附加上簽名（簽名由共享秘鑰 + 業務參數，進行單向散列函數加密生成）。接收者收到後，使用相同的方式生成簽名，再與收到的簽名進行比對，如果一致，驗籤成功。

這樣即可以驗證業務參數是否被篡改，又能驗明發送者的身份。

接口驗籤

4.3 文件完整性校驗

文件被掛載到網站時，同時也附上其散列值和算法，比如 Tomcat 官網。

Tomcat官網下載頁面

用户下載後，計算其散列值，對比結果是否相同，從而校驗文件的完整性。

4.4 雲盤秒傳

當我們將自己喜歡的視頻放到網盤上時，發現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，是怎麼做到的呢？

其實這個“秒傳”功能可以利用單向散列函數來實現。

當我們上傳一個文件時，雲盤客户端會先為該文件生成一個散列值。拿着這個散列值去數據庫中匹配，如果匹配到，説明該文件已經在雲服務器存在。只需將該散列值與用户進行關聯，便可完成本次“上傳”。

這樣，一個文件在雲服務器上只會存一份，大大節約了雲服務器的空間。

雲盤秒傳

5. 代碼實現

JDK的 java.security.MessageDigest 類為我們提供了消息摘要算法，用於 MD5和SHA的散列值生成。下面代碼做了簡單的封裝，便於直接使用。

public class MDUtil {

    /**
     * MD5 加密
     *
     * @param data 要加密的數據
     * @return 32位十六進制字符串
     */
    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 要加密的數據
     * @return 32位十六進制字符串
     */
    public static String MD5(String data) {
        return MD5(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-1 加密
     *
     * @param data 要加密的數據
     * @return 40位十六進制字符串
     */
    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 要加密的數據
     * @return 40位十六進制字符串
     */
    public static String SHA1(String data) {
        return SHA1(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-224 加密
     *
     * @param data 要加密的數據
     * @return 56位十六進制字符串
     */
    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 要加密的數據
     * @return 56位十六進制字符串
     */
    public static String SHA224(String data) {
        return SHA224(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-256 加密
     *
     * @param data 要加密的數據
     * @return 64位十六進制字符串
     */
    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 要加密的數據
     * @return 64位十六進制字符串
     */
    public static String SHA256(String data) {
        return SHA256(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-384 加密
     *
     * @param data 要加密的數據
     * @return 96位十六進制字符串
     */
    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 要加密的數據
     * @return 96位十六進制字符串
     */
    public static String SHA384(String data) {
        return SHA384(data.getBytes());
    }

    /**
     * SHA-512 加密
     *
     * @param data 要加密的數據
     * @return 128位十六進制字符串
     */
    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 要加密的數據
     * @return 128位十六進制字符串
     */
    public static String SHA512(String data) {
        return SHA512(data.getBytes());
    }

    /**
     * 將字節數組轉換為十六進制字符串
     *
     * @param bytes 字節數組
     * @return 十六進制字符串
     */
    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。

Java8支持的算法

從Java9開始支持SHA-3

Java9支持的算法

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！

https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/blob/main/java-source-analysis/src/main/java/io/github/gozhuyinglong/utils/MDUtil.java

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