Хеш-функции - учебная и научная деятельность анисимова владимира викторовича.
Рассмотренные нами алгоритмы поиска обычно основаны на абстрактной операции сравнения. Из этого ряда существенно выделяется метод распределяющего поиска, описанный в "Таблицы символов и деревья бинарного поиска" , при котором элемент с ключом i хранится в i-ой позиции таблицы, что позволяет обратиться к нему непосредственно. При распределяющем поиске значения ключей используются в качестве индексов массива, а не операндов операции сравнения; сам метод основан на том, что ключи являются различными целыми числами из того же диапазона, что и индексы таблицы. В этой главе мы рассмотрим хеширование ( hashing ) - расширенный вариант распределяющего поиска, применяемый в более типичных приложениях поиска, где ключи не обладают столь удобными свойствами. Конечный результат применения данного подхода совершенно не похож на методы, основанные на сравнении - вместо перемещения по структурам данных словаря с помощью сравнения ключей поиска с ключами в элементах, мы пытаемся обратиться к элементам в таблице непосредственно, выполняя арифметическое преобразование ключей в адреса таблицы.
Алгоритмы поиска, использующие хеширование , состоят из двух отдельных частей. Первый шаг - вычисление хеш-функции ( hash function ), которая преобразует ключ поиска в адрес в таблице. В идеале различные ключи должны были бы отображаться на различные адреса, но часто два или более различных ключа могут дать один и тот же адрес в таблице. Поэтому вторая часть поиска методом хеширования - процесс разрешения коллизий ( collision resolution ), который обрабатывает такие ключи. В одном из методов разрешения конфликтов, который мы рассмотрим в этой главе, используются связные списки, поэтому он находит непосредственное применение в динамических ситуациях, когда трудно заранее предугадать количество ключей поиска. В других двух методах разрешения коллизий достигается высокая производительность поиска, поскольку элементы хранятся в фиксированном массиве. Мы рассмотрим способ усовершенствования этих методов, позволяющий использовать их и в тех случаях, когда нельзя заранее предсказать размеры таблицы.
Хеширование - хороший пример баланса между временем и объемом памяти. Если бы не было ограничения на объем используемой памяти, любой поиск можно было бы выполнить с помощью всего лишь одного обращения к памяти, просто используя ключ в качестве адреса памяти, как при распределяющем поиске. Однако обычно этот идеальный случай недостижим, поскольку для длинных ключей может потребоваться огромный объем памяти. С другой стороны, если бы не было ограничений на время выполнения , можно было бы обойтись минимальным объемом памяти, пользуясь методом последовательного поиска. Хеширование представляет собой способ использования приемлемого объема как памяти, так и времени, и достижения баланса между этими двумя крайними требованиями. В частности, можно поддерживать любой баланс, просто меняя размер таблицы, а не переписывая код и не выбирая другие алгоритмы.
Хеширование - одна из классических задач компьютерных наук: его различные алгоритмы подробно исследованы и находят широкое применение. Мы увидим, что при совсем не жестких допущениях можно надеяться на поддержку операций найти и вставить в таблицах символов с постоянным временем выполнения, независимо от размера таблицы.
Это ожидаемое значение - теоретический оптимум производительности для любой реализации таблицы символов, но хеширование все же не является панацеей по двум основным причинам. Во-первых, время выполнения зависит от длины ключа, которая в реальных приложениях, использующих длинные ключи, может быть значительной. Во-вторых, хеширование не обеспечивает эффективные реализации других операций с таблицами символов, таких, как выбрать или сортировать. В этой главе мы подробно рассмотрим эти и другие вопросы.
Хеш-функции
Прежде всего необходимо решить задачу вычисления хеш-функции, преобразующей ключи в адреса таблицы. Обычно реализация этого арифметического вычисления не представляет сложности, но все же необходимо соблюдать осторожность, чтобы не нарваться на различные малозаметные подводные камни. При наличии таблицы, которая может содержать M элементов, нужна функция, преобразующая ключи в целые числа в диапазоне . Идеальная хеш-функция должна легко вычисляться и быть похожей на случайную функцию: для любых аргументов результаты в некотором смысле должны быть равновероятными.
Хеш-функция зависит от типа ключа. Строго говоря, для каждого возможного вида ключей требуется отдельная хеш-функция. Для повышения эффективности обычно желательно избегать явного преобразования типов, обратившись вместо этого к идее рассмотрения двоичного представления ключей в машинном слове в виде целого числа, которое можно использовать в арифметических вычислениях. Хеширование появилось до языков высокого уровня - на ранних компьютерах было обычным делом рассматривать какое-либо значение то как строковый ключ, то как целое число. В некоторых языках высокого уровня затруднительно создавать программы, которые зависят от представления ключей в конкретном компьютере, поскольку такие программы, по сути, являются машинно-зависимыми, и поэтому их трудно перенести на другой компьютер. Обычно хеш-функции зависят от процесса преобразования ключей в целые числа, поэтому в реализациях хеширования бывает трудно одновременно обеспечить и машинную независимость, и эффективность. Как правило, простые целочисленные ключи или ключи типа с плавающей точкой можно преобразовать с помощью всего одной машинной операции, но строковые ключи и другие типы составных ключей требуют больших затрат и большего внимания к эффективности.
Вероятно, простейшей является ситуация, когда ключами являются числа с плавающей точкой из фиксированного диапазона. Например, если ключи - числа, большие 0 и меньшие 1, их можно просто умножить на M, округлить результат до меньшего целого числа и получить адрес в диапазоне между 0 и M - 1 ; такой пример показан на рис. 14.1 . Если ключи больше s и меньше t, их можно масштабировать, вычтя s и разделив на t-s , в результате чего они попадут в диапазон значений между 0 и 1, а затем умножить на M и получить адрес в таблице.
Рис.
14.1.
Для преобразования чисел с плавающей точкой в диапазоне между 0 и 1 в индексы таблицы, размер которой равен 97, выполняется умножение этих чисел на 97. В данном примере произошло три коллизии: для индексов, равных 17, 53 и 76. Хеш-значения определяются старшими разрядами ключа, младшие разряды не играют никакой роли. Одна из целей разработки хеш-функции - устранение такого дисбаланса, чтобы во время вычисления учитывался каждый разряд.
Если ключи являются w-разрядными целыми числами, их можно преобразовать в числа с плавающей точкой и разделить на 2 w для получения чисел с плавающей точкой в диапазоне между 0 и 1, а затем умножить на M, как в предыдущем абзаце. Если операции с плавающей точкой занимают много времени, а числа не столь велики, чтобы привести к переполнению, этот же результат может быть получен с помощью целочисленных арифметических операций: нужно ключ умножить на M, а затем выполнить сдвиг вправо на w разрядов для деления на 2 w (или, если умножение приводит к переполнению, выполнить сдвиг, а затем умножение). Такие методы бесполезны для хеширования, если только ключи не распределены по диапазону равномерно, поскольку хеш-значение определяется только ведущими цифрами ключа.
Более простой и эффективный метод для w-разрядных целых чисел - один из, пожалуй, наиболее часто используемых методов хеширования - выбор в качестве размера M таблицы простого числа и вычисление остатка от деления к на M, т.е. h(k) = k mod M для любого целочисленного ключа k. Такая функция называется модульной хеш-функцией. Ее очень просто вычислить (k % M в языке C++), и она эффективна для достижения равномерного распределения значений ключей между значениями, меньшими M. Небольшой пример показан на рис. 14.2 .
Рис. 14.2.
В трех правых столбцах показан результат хеширования 16-разрядных ключей, приведенных слева, с помощью следующих функций:
v % 97 (слева)
v % 100 (в центре) и
(int) (a * v) % 100 (справа),
где a = .618033 . Размеры таблицы для этих функций соответственно равны 97, 100 и 100. Значения выглядят случайными (поскольку случайны ключи). Вторая функция (v % 100 ) использует лишь две крайние правые цифры ключей и поэтому для неслучайных ключей может показывать низкую производительность.
Модульное хеширование применимо и к ключам с плавающей точкой. Если ключи принадлежат небольшому диапазону, можно масштабировать их в числа из диапазона между 0 и 1, 2 w для получения w-разрядных целочисленных значений, а затем использовать модульную хеш-функцию. Другой вариант - просто использовать в качестве операнда модульной хеш-функции двоичное представление ключа (если оно доступно).
Модульное хеширование применяется во всех случаях, когда имеется доступ к битам, из которых состоят ключи, независимо от того, являются ли они целыми числами, представленными машинным словом, последовательностью символов, упакованных в машинное слово, или представлены любым другим возможным вариантом. Последовательность случайных символов, упакованная в машинное слово - не совсем то же, что случайные целочисленные ключи, поскольку не все разряды используются для кодирования. Но оба эти типа (и любой другой тип ключа, закодированный так, чтобы уместиться в машинном слове) можно заставить выглядеть случайными индексами в небольшой таблице.
Основная причина выбора в качестве размера M хеш-таблицы простого числа для модульного хеширования показана на рис. 14.3 . В этом примере символьных данных с 7-разрядным кодированием ключ трактуется как число с основанием 128 - по одной цифре для каждого символа в ключе. Слово now соответствует числу 1816567, которое может быть также записано как
поскольку в ASCII-коде символам n, o и w соответствуют числа 1568 = 110 , 1578 = 111 и 1678 = 119 . Выбор размера таблицы M = 64 для этого типа ключа неудачен, поскольку добавление к х значений, кратных 64 (или 128), не меняет значение х mod 64 - для любого ключа значением хеш-функции является значение последних 6 разрядов этого ключа. Безусловно, хорошая хеш-функция должна учитывать все разряды ключа, особенно для символьных ключей. Аналогичные ситуации могут возникать, когда M содержит множитель, являющийся степенью 2. Простейший способ избежать этого - выбрать в качестве M простое число.
Рис. 14.3.
В каждой строке этой таблицы приведены: 3-буквенное слово, представление этого слова в ASCII-коде как 21-битовое число в восьмеричной и десятичной формах и стандартные модульные хеш-функции для размеров таблиц 64 и 31 (два крайних справа столбца). Размер таблицы 64 приводит к нежелательным результатам, поскольку для получения хеш-значения используются только самые правые разряды ключа, а буквы в словах обычного языка распределены неравномерно. Например, всем словам, оканчивающимся на букву у, соответствует хеш-значение 57. И, напротив, простое значение 31 вызывает меньше коллизий в таблице более чем вдвое меньшего размера.
Модульное хеширование очень просто реализовать, за исключением того, что размер таблицы должен быть простым числом. Для некоторых приложений можно довольствоваться небольшим известным простым числом или же поискать в списке известных простых чисел такое, которое близко к требуемому размеру таблицы. Например, числа равные 2 t - 1, являются простыми при t = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19 и 31 (и ни при каких других значениях t < 31 ): это известные простые числа Мерсенна. Чтобы динамически распределить таблицу нужного размера, нужно вычислить простое число, близкое к этому значению. Такое вычисление нетривиально (хотя для этого и существует остроумный алгоритм, который будет рассмотрен в части 5), поэтому на практике обычно используют таблицу заранее вычисленных значений (см. рис. 14.4). Использование модульного хеширования - не единственная причина, по которой размер таблицы стоит сделать простым числом; еще одна причина рассматривается в разделе 14.4.
Рис. 14.4.
Эта таблица наибольших простых чисел, меньших 2 n , для 
, может использоваться для динамического распределения хеш-таблицы, когда нужно, чтобы размер таблицы был простым числом. Для любого данного положительного значения в охваченном диапазоне эту таблицу можно использовать для определения простого числа, отличающегося от него менее чем в 2 раза.
Другой вариант обработки целочисленных ключей - объединение мультипликативного и модульного методов: нужно умножить ключ на константу в диапазоне между 0 и 1, а затем выполнить деление по модулю M. Другими словами, необходимо использовать функцию . Между значениями , M и эффективным основанием системы счисления ключа существует взаимосвязь, которая теоретически могла бы привести к аномальному поведению, но если использовать произвольное значение a, в реальном приложении вряд ли возникнет какая-либо проблема. Часто в качестве a выбирают значение ф = 0,618033... (золотое сечение).
Изучено множество других вариаций на эту тему, в частности, хеш-функции, которые могут быть реализованы с помощью таких эффективных машинных инструкций, как сдвиг и выделение по маске (см. раздел ссылок).
Во многих приложениях, в которых используются таблицы символов, ключи не являются числами и не обязательно являются короткими; чаще это алфавитно-цифровые строки, которые могут быть весьма длинными. Ну и как вычислить хеш-функцию для такого слова, как averylongkey?
В 7-разрядном ASCII-коде этому слову соответствует 84-разрядное число \begin{align*} 97 \cdot 128^{11} &+ 118 \cdot 128^{10} + 101 \cdot 128^{9} + 114 \cdot 128^{8} + 121 \cdot 128^{7}\\ &+ 108 \cdot 128^{6} + 111 \cdot 128^{5} + 110 \cdot 128^{4} + 103 \cdot 128^{3}\\ &+ 107 \cdot 128^{2} + 101 \cdot 128^{1} + 121 \cdot 128^{0}, \end{align*},
которое слишком велико, чтобы с ним можно было выполнять обычные арифметические функции в большинстве компьютеров. А зачастую требуется обрабатывать и гораздо более длинные ключи.
Чтобы вычислить модульную хеш-функцию для длинных ключей, они преобразуются фрагмент за фрагментом. Можно воспользоваться арифметическими свойствами функции модуля и использовать алгоритм Горнера (см. раздел 4.9 "Абстрактные типы данных"). Этот метод основан на еще одном способе записи чисел, соответствующих ключам. Для рассматриваемого примера запишем следующее выражение: \begin{align*} ((((((((((97 \cdot 128^{11} &+ 118) \cdot 128^{10} + 101) \cdot 128^{9} + 114) \cdot 128^{8} + 121) \cdot 128^{7}\\ &+ 108) \cdot 128^{6} + 111) \cdot 128^{5} + 110) \cdot 128^{4} + 103) \cdot 128^{3}\\ &+ 107) \cdot 128^{2} + 101) \cdot 128^{1} + 121. \end{align*}
То есть десятичное число, соответствующее символьной кодировке строки, можно вычислить при просмотре ее слева направо, умножая накопленное значение на 128, а затем добавляя кодовое значение следующего символа. В случае длинной строки этот способ вычисления в конце концов приведет к числу, большему того, которое вообще можно представить в компьютере. Однако это число и не нужно, поскольку требуется только (небольшой) остаток от его деления на M. Результат можно получить, даже не сохраняя большое накопленное значение, т.к. в любой момент вычисления можно отбросить число, кратное M - при каждом выполнении умножения и сложения нужно хранить только остаток от деления по модулю M. Результат будет таким же, как если бы у нас имелась возможность вычислить длинное число, а затем выполнять деление (см. упражнение 14.10). Это наблюдение ведет к непосредственному арифметическому способу вычисления модульных хеш-функций для длинных строк - см. программу 14.1. В этой программе используется еще одно, последнее ухищрение: вместо основания 128 в ней используется простое число 127. Причина этого изменения рассматривается в следующем абзаце.
Существует множество способов вычисления хеш-функций приблизительно с теми же затратами, что и для модульного хеширования с использованием метода Горнера (одна-две арифметические операции для каждого символа в ключе). Для случайных ключей эти методы практически не отличаются друг от друга, но реальные ключи редко бывают случайными. Возможность ценой небольших затрат придать реальным ключам случайный вид приводит к рассмотрению рандомизированных алгоритмов хеширования, поскольку нам требуются хеш-функции, которые создают случайные индексы таблицы независимо от распределения ключей. Рандомизацию организовать нетрудно, поскольку вовсе не требуется буквально придерживаться определения модульного хеширования - нужно всего лишь, чтобы в вычислении целого числа, меньшего M, использовались все разряды ключа.
Программа 14.1. Хеш-функция для строковых ключей
M = 96 и a = 128 (вверху),
M = 97 и a = 128 (в центре) и
M = 96 и a = 127 (внизу)
Неравномерное распределение в первом случае является результатом неравномерного употребления букв и сохранения неравномерности из-за того, что и размер таблицы, и множитель кратны 32. Два других примера выглядят случайными, поскольку размер таблицы и множитель являются взаимно простыми числами.
В программе 14.1 показан один из способов сделать это: использование простого основания вместо степени 2 и целого числа, соответствующего ASCII-представлению строки. На рис. 14.5 рис. 14.5 показано, как это изменение улучшает распределение для типичных строковых ключей. Теоретически хеш-значения, созданные программой 14.1, могут давать плохие результаты для размеров таблицы, которые кратны 127 (хотя на практике это, скорее всего, будет почти незаметно); для создания рандомизированного алгоритма можно было бы выбрать значение множителя наугад. Еще более эффективный подход - использование случайных значений коэффициентов в вычислении и различных случайных значений для каждой цифры ключа. Такой подход дает рандомизированный алгоритм, называемый универсальным хешированием (universal hashing).
Теоретически идеальная универсальная хеш-функция - это функция, для которой вероятность коллизии между двумя различными ключами в таблице размером M в точности равна 1/M. Можно доказать, что использование в качестве коэффициента а в программе 14.1 не фиксированного произвольного значения, а последовательности случайных различных значений преобразует модульное хеширование в универсальную хеш-функцию. Однако затраты на генерирование нового случайного числа для каждого символа в ключе обычно неприемлемы. На практике можно достичь компромисса, показанного в программе 14.1, не храня массив различных случайных чисел для каждого символа ключа, а варьируя коэффициенты с помощью генерации простой псевдослучайной последовательности.
Подведем итоги: чтобы для реализации абстрактной таблицы символов использовать хеширование, сначала необходимо расширить интерфейс абстрактного типа, включив в него операцию hash, которая отображает ключи на неотрицательные целые числа, меньшие размера таблицы M.
Алгоритмы хэширования строк помогают решить очень много задач. Но у них есть большой недостаток: что чаще всего они не 100%-ны, поскольку есть множество строк, хэши которых совпадают. Другое дело, что в большинстве задач на это можно не обращать внимания, поскольку вероятность совпадения хэшей всё-таки очень мала.
Определение хэша и его вычисление
Один из лучших способов определить хэш-функцию от строки S следующий:
H(S) = S + S * P + S * P^2 + S * P^3 + ... + S[N] * P^N
где P - некоторое число.
Разумно выбирать для P простое число, примерно равное количеству символов во входном алфавите. Например, если строки предполаются состоящими только из маленьких латинских букв, то хорошим выбором будет P = 31. Если буквы могут быть и заглавными, и маленькими, то, например, можно P = 53.
Во всех кусках кода в этой статье будет использоваться P = 31.
Само значение хэша желательно хранить в самом большом числовом типе - int64, он же long long. Очевидно, что при длине строки порядка 20 символов уже будет происходить переполнение значение. Ключевой момент - что мы не обращаем внимание на эти переполнения, как бы беря хэш по модулю 2^64.
Пример вычисления хэша, если допустимы только маленькие латинские буквы:
Const int p = 31;
long long hash = 0, p_pow = 1;
for (size_t i=0; i В большинстве задач имеет смысл сначала вычислить все нужные степени P в каком-либо массиве. Уже теперь мы в состоянии эффективно решить такую задачу. Дан список строк S, каждая длиной не более M символов. Допустим, требуется найти все повторяющиеся строки и разделить их на группы, чтобы в каждой группе были только одинаковые строки. Обычной сортировкой строк мы бы получили алгоритм со сложностью O (N M log N), в то время как используя хэши, мы получим O (N M + N log N). Алгоритм. Посчитаем хэш от каждой строки, и отсортируем строки по этому хэшу. Vector Предположим, нам дана строка S, и даны индексы I и J. Требуется найти хэш от подстроки S. По определению имеем: H = S[I] + S * P + S * P^2 + ... + S[J] * P^(J-I)
H * P[I] = S[I] * P[I] + ... + S[J] * P[J],
H * P[I] = H - H
Полученное свойство является очень важным. Действительно, получается, что, зная только хэши от всех префиксов строки S, мы можем за O (1) получить хэш любой подстроки
. Единственная возникающая проблема - это то, что нужно уметь делить на P[I]. На самом деле, это не так просто. Поскольку мы вычисляем хэш по модулю 2^64, то для деления на P[I] мы должны найти к нему обратный элемент в поле (например, с помощью Расширенного алгоритма Евклида), и выполнить умножение на этот обратный элемент. Впрочем, есть и более простой путь. В большинстве случаев, вместо того чтобы делить хэши на степени P, можно, наоборот, умножать их на эти степени
. Допустим, даны два хэша: один умноженный на P[I], а другой - на P[J]. Если I < J, то умножим перый хэш на P, иначе же умножим второй хэш на P. Теперь мы привели хэши к одной степени, и можем их спокойно сравнивать. Например, код, который вычисляет хэши всех префиксов, а затем за O (1) сравнивает две подстроки: String s; int i1, i2, len; // входные данные
// считаем все степени p
const int p = 31;
vector Вот некоторые типичные применения хэширования: Пусть дана строка S длиной N, состоящая только из маленьких латинских букв. Требуется найти количество различных подстрок в этой строке. Для решения переберём по очереди длину подстроки: L = 1 .. N. Для каждого L мы построим массив хэшей подстрок длины L, причём приведём хэши к одной степени, и отсортируем этот массив. Количество различных элементов в этом массиве прибавляем к ответу. Реализация: String s; // входная строка
int n = (int) s.length();
// считаем все степени p
const int p = 31;
vector Аннотация:
В этой лекции сформулировано понятие хеш-функции, а также приведен краткий обзор алгоритмов формирования хеш-функций. Кроме того, рассмотрена возможность использования блочных алгоритмов шифрования для формирования хеш-функции.
Цель лекции: познакомиться с понятием "хеш-функция", а также с принципами работы таких функций. Хеш-функцией (hash function)
называется математическая или иная функция, которая для строки произвольной длины вычисляет некоторое целое значение или некоторую другую строку фиксированной длины. Математически это можно записать так: где М
– исходное сообщение, называемое иногда прообразом
, а h
– результат, называемый значением хеш-функции (а также хеш-кодом
или дайджестом сообщения
(от англ. message digest
)). Смысл хеш-функции состоит в определении характерного признака прообраза – значения хеш-функции. Это значение обычно имеет определенный фиксированный размер, например, 64 или 128 бит. Хеш-код может быть в дальнейшем проанализирован для решения какой-либо задачи. Так, например, хеширование может применяться для сравнения данных: если у двух массивов данных хеш-коды разные, массивы гарантированно различаются; если одинаковые - массивы, скорее всего, одинаковы. В общем случае однозначного соответствия между исходными данными и хеш-кодом нет из-за того, что количество значений хеш-функций всегда меньше, чем вариантов входных данных. Следовательно, существует множество входных сообщений, дающих одинаковые хеш-коды (такие ситуации называются коллизиями
). Вероятность возникновения коллизий играет немаловажную роль в оценке качества хеш-функций. Хеш-функции широко применяются в современной криптографии. Простейшая хеш-функция может быть составлена с использованием операции "сумма по модулю 2" следующим образом: получаем входную строку, складываем все байты по модулю 2 и байт-результат возвращаем в качестве значения хеш-фукнции. Длина значения хеш-функции составит в этом случае 8 бит независимо от размера входного сообщения. Например, пусть исходное сообщение, переведенное в цифровой вид, было следующим (в шестнадцатеричном формате): Переведем сообщение в двоичный вид, запишем байты друг под другом и сложим биты в каждом столбике по модулю 2: 0011 1110
0101 0100
1010 0000
0001 1111
1101 0100
----------
0110 0101 Результат (0110 0101 (2)
или 65 (16)
) и будет значением хеш-функции. Однако такую хеш-функцию нельзя использовать для криптографических целей, например для формирования электронной подписи, так как достаточно легко изменить содержание подписанного сообщения, не меняя значения контрольной суммы. Поэтому рассмотренная хеш-функция не годится для криптографических применений. В криптографии хеш-функция считается хорошей, если трудно создать два прообраза с одинаковым значением хеш-функции, а также, если у выхода функции нет явной зависимости от входа. Сформулируем основные требования, предъявляемые к криптографическим хеш-функциям: Создать хеш-функцию, которая удовлетворяет всем перечисленным требованиям – задача непростая. Необходимо также помнить, что на вход функции поступают данные произвольного размера, а хеш-результат не должен получаться одинаковым для данных разного размера. В настоящее время на практике в качестве хеш-функций применяются функции, обрабатывающие входное сообщение блок за блоком и вычисляющие хеш-значение h i
для каждого блока M i
входного сообщения по зависимостям вида h i =H(M i ,h i-1), где h i-1
– результат, полученный при вычислении хеш-функции для предыдущего блока входных данных. В результате выход хеш-функции h n
является функцией от всех n блоков входного сообщения. В качестве хеш-функции можно использовать блочный . Если используемый блочный алгоритм криптографически стоек, то и хеш-функция на его основе будет надежной. Простейшим способом использования блочного алгоритма для получения хеш-кода является шифрование сообщения в режиме CBC
. В этом случае сообщение представляется в виде последовательности блоков, длина которых равна длине блока алгоритма шифрования. При необходимости последний блок дополняется справа нулями, чтобы получился блок нужной длины. Хеш-значением будет последний зашифрованный блок текста. При условии использования надежного блочного алгоритма шифрования полученное хеш-значение будет обладать следующими свойствами: Сформированное таким образом хеш-значение обычно называют имитовставкой
или аутентификатором
и используется для проверки целостности сообщения. Таким образом, имитовставка
– это контрольная комбинация, зависящая от открытых данных и секретной ключевой информации. Целью использования имитовставки является обнаружение всех случайных или преднамеренных изменений в массиве информации. Значение, полученное хеш-функцией при обработке входного сообщения, присоединяется к сообщению в тот момент, когда известно, что сообщение корректно. Получатель проверяет целостность сообщения путем вычисления имитовставки полученного сообщения и сравнения его с полученным хеш-кодом, который должен быть передан безопасным способом. Одним из таких безопасных способов может быть шифрование имитовставки закрытым ключом отправителя, т.е. создание подписи. Возможно также шифрование полученного хеш-кода алгоритмом симметричного шифрования, если отправитель и получатель имеют общий ключ симметричного шифрования. Указанный процесс получения и использования имитовставки описан в отечественном стандарте ГОСТ 28147-89. Стандарт предлагает использовать младшие 32 бита блока, полученного на выходе операции шифрования всего сообщения в режиме сцепления блоков шифра для контроля целостности передаваемого сообщения. Таким же образом для формирования имитовставки можно использовать любой блочный алгоритм симметричного шифрования
. Другим возможным способом применения блочного шифра для выработки хеш-кода является следующий. Исходное сообщение обрабатывается последовательно блоками. Последний блок при необходимости дополняется нулями, иногда в последний блок приписывают длину сообщения в виде двоичного числа. На каждом этапе шифруем хеш-значение, полученное на предыдущем этапе, взяв в качестве ключа текущий блок сообщения. Последнее полученное зашифрованное значение будет окончательным хеш-результатом. На самом деле возможны еще несколько схем использования блочного шифра для формирования хеш-функции. Пусть М i
– блок исходного сообщения, h i
– значение хеш-функции на i-том
этапе, f
– блочный алгоритм шифрования, используемый в режиме простой замены, – операция сложения по модулю 2. Тогда возможны, например, следующие схемы формирования хеш-функции: Во всех этих схемах длина формируемого хеш-значения равна длине блока при шифровании. Все эти, а также некоторые другие схемы использования блочного алгоритма шифрования для вычисления хеш-значений могут применяться на практике. Основным недостатком хеш-функций, спроектированных на основе блочных алгоритмов, является относительно низкая скорость работы. Необходимую криптостойкость можно обеспечить и за меньшее количество операций над входными данными. Существуют более быстрые алгоритмы хеширования, спроектированных самостоятельно, с нуля, исходя из требований криптостойкости (наиболее распространенные из них – MD5, SHA-1, SHA-2 и ГОСТ Р 34.11-94). Методы сжатия преобразуемых данных на основе однонаправленных ХЭШ-функций
Хэш-функция (hash, hash-function) – это преобразование, получающее из данных произвольной длины некое значение (свертку) фиксированной длины. Простейшими примерами являются контрольные суммы (например, crc32). Бывают: · криптографические хэши; · программистские хэши. Криптографический хэш отличается от программистского следующими двумя свойствами: необратимостью и свободностью от коллизий. Обозначим: m - исходные данные, h(m) – хэш-функция от них. Необратимость означает, что если известно число h0, то трудно подобрать m такое, что h(m) = h0. Свободность от коллизий означает, что трудно подобрать такие m1 и m2, что m1 не равно m2, но h(m1) = h(m2). Криптографические хэш-функции разделяются на два класса: Хэш-функции без ключа (MDC (Modification (Manipulation) Detect Code) - коды), Хэш-функции c ключом (MАC (Message Authentication Code) - коды). Хэш-функции без ключа разделяются на два подкласса: слабые хэш-функции, сильные хэш-функции. Слабой хэш-функцией называется односторонняя функция H(x), удовлетворяющая следующим условиям: 1. аргумент х может быть строкой бит произвольной длины; 2. значение h(x) должно быть строкой бит фиксированной длины; 3. значение h(x) легко вычислить; 4. для любого фиксированного x вычислительно невозможно найти другой x" ≠ x, такой что h(x")=h(x). Пара x" ≠ x, когда h(x")=h(x) называется коллизией хэш-функции. Сильной хэш-функцией называется односторонняя функция h(x), удовлетворяющая условиям 1-4 для слабой хэш-функции и свойству 5: 5. вычислительно невозможно найти любую пару x" ≠ x, такую, что h(x")=h(x). Существует несколько алгоритмов вычисления хэш-функций MD2 (Message Digest) – алгоритм криптографической свертки. Порождает блок длиной 128 бит от сообщения произвольной длины. Общая схема работы MD2: a. дополнение текста сообщений до длины, кратной 128 бит; b. вычисление 16-битной контрольной суммы, старшие разряды отбрасываются; c. добавление контрольной суммы к тексту; d. повторное вычисление контрольной суммы. Алгоритм MD2 очень медленный, поэтому чаще применяются MD4, MD5, SHA (Secure Hash Algorithm). Результирующий хэш имеет длину 160 бит. ГОСТ Р34.11-94. Российский алгоритм. Длина свертки - 256 бит (очень удобно для формирования по паролю ключа для ГОСТ 28147-89). Национальный институт стандартов и технологий (НИСТ) США на своем веб-сайте http://www.nist.gov/sha/ опубликовал спецификации новых алгоритмов хеширования SHA-256, SHA-384 и SHA-512, цель которых - обеспечить уровень криптостойкости хэша, соответствующий длинам ключей нового стандарта шифрования DES. Напомним, что n-битный хэш - это отображение сообщения произвольной длины в n-битную псевдослучайную последовательность (хэш-значение). Криптографический хэш, как особая разновидность такой функции, это n-битный хэш, обладающий свойствами «однонаправленности» и «стойкости к коллизиям». До настоящего времени наиболее популярными хеш-функциями были созданные Райвистом MD4 и MD5, генерирующие хэш-коды длиной n=128, и алгоритм SHA-1, разработанный в АНБ США и порождающий хэш-код длиной n=160. ГОСТ Р34.10-94 «Процедуры выработки и проверки электронной цифровой подписи на базе асимметричного криптографического алгоритма». Что такое хеш?
Хеш-функцией называется математическое преобразование информации в короткую, определенной длины строку. Зачем это нужно?
Анализ при помощи хеш-функций часто используют для контроля целостности важных файлов операционной системы, важных программ, важных данных. Контроль может производиться как по необходимости, так и на регулярной основе. Как это делается?
Вначале определяют, целостность каких файлов нужно контролировать. Для каждого файла производится вычисления значения его хеша по специальному алгоритму с сохранением результата. Через необходимое время производится аналогичный расчет и сравниваются результаты. Если значения отличаются, значит информация содержащаяся в файле была изменена. Какими характеристиками должна обладать хеш-функция?
Какие популярные алгоритмы хеширования?
В настоящее время используются следующие хеш-функции: Когда эти алгоритмы может использовать системный администратор?
Часто при скачивании какого-либо контента, например программ с сайта производителя, музыки, фильмов или другой информации присутствует значение контрольных сумм, вычисленных по определенному алгоритму. Из соображений безопасности после скачивания необходимо провести самостоятельное вычисление хеш-функции и сравнить значение с тем, что указано на сайте или в приложении к файлу. Делали ли вы когда-нибудь такое? Чем удобнее рассчитывать хеш?
Сейчас существует большое количество подобных утилит как платных, так и свободных для использования. Мне лично понравилась HashTab
. Во-первых, утилита при установке встраивается в виде вкладки в свойства файлов, во-вторых, позволяет выбирать большое количество алгоритмов хеширования, а в третьих является бесплатной для частного некоммерческого использования. Что есть российского?
Как было сказано выше в России есть стандарт хеширования ГОСТ Р 34.11-94, который повсеместно используется многими производителями средств защиты информации. Одним из таких средств является программа фиксации и контроля исходного состояния программного комплекса «ФИКС». Эта программа является средством контроля эффективности применения СЗИ. ФИКС (версия 2.0.1) для Windows 9x/NT/2000/XP А как на счет ЭЦП?
Результат вычисленияхеш-функции вместе с секретным ключом пользователя попадает на вход криптографического алгоритма, где и рассчитывается электронно-цифровая подпись. Строго говоря, хеш-функция не является частью алгоритма ЭЦП, но часто это делается специально, для того, чтобы исключить атаку с использованием открытого ключа. В настоящее время многие приложения электронной коммерции позволяют хранить секретный ключ пользователя в закрытой области токена (ruToken
, eToken
) без технической возможности извлечения его оттуда. Сам токен имеет весьма ограниченную область памяти, измеряемую в килобайтах. Для подписания документа нет никакой возможности передать документ в сам токен, а вот передать хеш документа в токен и на выходе получить ЭЦП очень просто.Пример задачи. Поиск одинаковых строк
Хэш подстроки и его быстрое вычисление
Применение хэширования
Определение количества различных подстрок
Понятие хеш-функции
Использование блочных алгоритмов шифрования для формирования хеш-функции
Поскольку из свойств 1-2 следует, что множество определения хэш-функции значительно шире множества значений, то коллизии должны существовать. Свойство 4 требует, чтобы найти их для заданного значения х было практически невозможно. Требование 5 говорит о том, что у сильной хэш-функции вычислительно невозможно вообще найти какую-либо коллизию.