散列函数
实验九散列函数实验
实验九散列函数实验【实验思考】参照实验原理，根据算法跟踪实验画出各个算法函数的主要流程图思考各个散列算法的安全性和优缺点【实验原理】散列函数是一种单向密码，即是一个从明文到密文的不可逆映射，只有加密过程，不可解密；同时散列函数可以将任意长度的输入经过变换以后得到固定长度的输出。
散列函数在完整性认证和数字签名等领域有广泛应用。
散列函数应满足以下要求：(1)算法公开，不需要密钥。
(2)具有数据压缩功能，可将任意长度的输入转换为固定长度的输出。
(3)已知m，容易计算出H(m)。
(4)给定消息散列值H(m)，要计算出m在计算上是不可行的。
(5)对任意不同的输入m和n，它们的散列值是不能相同的。
一、MD5算法MD5(Message-Digest Algorithm 5)即信息-摘要算法，是MD4算法的改进；算法的输入为任意长度的消息，分为512比特长的分组，输出为128比特的消息摘要。
处理过程如下：(1)对消息进行填充，使其比特长度为n512+448(n为正整数)，填充方式是固定的：第一位为1，其后各位为0。
(2)附加消息长度，使用上一步骤留出的64比特以小端(最低有效字节/位存储于低地址字节/位)方式来表示消息被填充前的长度，若消息长度大于264，则以264为模数取模。
(3)对消息摘要缓冲区初始化，算法使用128比特长的缓冲区来存储中间结果和最终散列值，将缓冲区表示成4个32比特长的寄存器A、B、C、D，每个寄存器以小端方式存储数据，初始值为(十六进制，低位字节在前)A=01234567，B=89ABCDEF，C=FEDCBA98，D=。
(4)以分组为单位对消息进行处理，每一个分组都经过压缩函数HMD5处理；HMD5有4轮处理过程，每轮有16步迭代，4轮处理过程的处理结构一样，所用逻辑函数不同，分别表示为F、G、H、I；每轮的输入为当前处理的消息分组和缓冲区当前的值，输出仍存放在缓冲区中。
最后第四轮的输出与第一轮输入的缓冲区值V相加，相加时将V看做4个32比特的字，每个字与第四轮输出的对应的字按模232相加，相加结果为HMD5的输出。
密码学-散列函数
散列函数常用于报文鉴别和数字签名； 散列函数是一个多对一的函数；
因此在理论上，必定存在不同的报文对应同样的散列， 但这种情况在实际中必须不可能出现(计算上不可行)
散列函数本身不是保密的；
散列函数没有密钥的参与，散列值仅仅是报文的函数
1）攻击者对合法报文创建 2m/2 个变种，所有这些变种本质上都和 合法报文表示同样的意思；
2）同样，攻击者再对伪造报文创建 2m/2 个变种； 3）比较这两个集合，以期发现任意一对能产生相同散列值的报文
对(合法报文变种、伪造报文变种)，根据生日悖论，找到这样一对 报文的概率Pr > 0.5； 4）攻击者向签名者出示合法报文变种，让签名者对合法报文变种 的散列值签名；然后攻击者用伪造报文变种代替合法报文变种， 并声称签名者对伪造报文变种签名了。由于这两个报文具有相同 的散列值，因此欺骗总能成功。
与此相对，如要求选择 K 个人，其中至少有一个人的 生日和某个指定的生日相同的概率大于 0.5，问 k 的最 小值是多少？（结论是 k >= 365/2 ≈183）
生日攻击
生日悖论实际上是如下问题的特例：已知一个在 1 到 n 之 间均匀分布的整数型随机变量，若该变量的一个 k 个取值 的集合中至少有两个取值相同的概率大于 0.5，则 k 至少 多大？ 该问题的一般结论是：k≈1.18 * n1/2 例如对于生日悖论，有 n=365，因此 k ≈ 22.5。
在计算上不可行（强抗碰撞）。
不同安全特性的比较
显然，强抗碰撞特性包含弱抗碰撞特性； 另外可以证明，强抗碰撞特性包含单向特
性； 因此，散列函数满足强抗碰撞特性是充分
现代密码学第7章：散列函数
散列函数的使用方式
由于加密运算的速度较慢，代价较高， 而且很多加密算法还受到专利保护，因此在 不要求保密性的情况下，方式②和③将比其 他方式更具优势。
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2.2 散列函数应满足的条件
散列函数的目的是为需认证的数据产生 一个“指纹”。为了能够实现对数据的认证， 散列函数应满足以下条件： ① 函数的输入可以是任意长。 ② 函数的输出是固定长。 ③ 已知x，求H(据认证算法
数据认证算法是最为广泛使用的消息认 证码中的一个，已作为FIPS Publication （FIPS PUB 113）并被ANSI作为X9.17标准。 算法基于CBC模式的DES算法，其初始向量 取为零向量。需被认证的数据（消息、记录、 文件或程序）被分为64比特长的分组D1， D2，…，DN，其中最后一个分组不够64比特 的话，可在其右边填充一些0，然后按以下 过程计算数据认证码（见图2）：
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1.2 产生MAC的函数应满足的要求 假定k>n，且敌手已得到M1和MAC1，其 中MAC1=CK1（M1），敌手对所有可能的密 钥值Ki求MACi=CKi(M1)，直到找到某个Ki使得 MACi=MAC1。由于不同的密钥个数为2k，因 此将产生2k个MAC，但其中仅有2n个不同， 由于2k>2n，所以有很多密钥（平均有 2k/2n=2k-n个）都可产生出正确的MAC1，而 敌手无法知道进行通信的两个用户用的是哪 一个密钥，还必须按以下方式重复上述攻击：
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1.2 产生MAC的函数应满足的要求
考虑到MAC所存在的以上攻击类型，可知它应 满足以下要求，其中假定敌手知道函数C，但不知 道密钥K： ① 如果敌手得到M和CK(M)，则构造一满足 CK(M′)=CK(M)的新消息M′在计算上是不可行的。 ② CK(M)在以下意义下是均匀分布的： 随机选取两 个消息M、M′，Pr[CK(M)=CK(M′)]=2-n，其中n为 MAC的长。 ③ 若M′是M的某个变换，即M′=f(M)，例如f为插入 一个或多个比特，那么Pr[CK(M)=CK(M′)] = 2-n。
常用加密算法介绍
常用加密算法介绍加密算法是现代信息安全的基础，它们用于保护数据的机密性、完整性和可用性。
在本文中，我将介绍一些常用的加密算法及其特点。
1.对称加密算法：对称加密算法采用相同的密钥对数据进行加密和解密。
常见的对称加密算法有DES（Data Encryption Standard）、3DES（Triple DES）、AES（Advanced Encryption Standard）等。
这些算法在加密和解密的过程中速度快且效率高，但密钥的管理和分发比较困难。
2.非对称加密算法：非对称加密算法使用一对密钥，即公钥和私钥。
公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。
公钥可以公开给任何人使用，而私钥必须保密。
常见的非对称加密算法有RSA（Rivest-Shamir-Adleman）、ElGamal等。
非对称加密算法能够解决对称加密算法中密钥安全分发的问题，但加密和解密的速度较慢。
3.散列函数：散列函数（Hash Function）将输入映射为固定长度的输出，通常是一个固定长度的字符串。
散列函数具有以下特点：输入的微小变化会导致输出的巨大变化；同样的输入会产生同样的输出；给定输出，很难从中推断出输入。
常见的散列函数有MD5、SHA-1、SHA-256等。
散列函数常用于验证数据的完整性和生成密码的摘要。
4.消息认证码（MAC）：MAC是一种带有密钥的散列函数，用于验证消息的完整性和真实性。
它使用一个密钥来对消息进行加密，并生成一个固定长度的摘要。
常见的MAC算法有HMAC（Hash-based Message Authentication Code）、CMAC （Cipher-based Message Authentication Code）等。
5.数字签名：数字签名是一种在数字通信中验证消息真实性和完整性的技术。
它使用发送者的私钥对消息进行加密生成签名，接收者使用发送者的公钥进行解密和验证签名。
常见的数字签名算法有RSA、DSA（Digital Signature Algorithm）、ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）等。
散列函数(1).
杂凑函数
例3：设函数y=H(x)具有局部置换性： x的第一个比特总等于y的 第三个比特，无论x为何值。这样的函数不能作为杂凑函数。 取x1并计算y1=H(x1)。 取y为将y1改变第三个比特。求一个x使得y=H(x)，可以取为将x1 改变第一个比特。 例4：设函数y=H(x)具有某种连续性：当 y1与y2 “距离很近”时， 存在 x1与x2 “距离很近” ，且y1=H(x1)， y2=H(x2) 。这样的函 数不能作为杂凑函数。 取x1并计算y1=H(x1)。取y2与y1“距离很近”。 寻找一个x2使 y2=H(x2)，只需要在x1的“附近”寻找，搜索量远远低于穷举 搜索。
杂凑函数
散列编码的用途
用途一：公平提交方案 Alice猜测了一个号码x1，但不知道中奖号码x2； Bob设置了中奖号码x2，但不知道Alice猜测的号码x1。 Alice希望首先获得x2，然后重新确定x1使得x1=x2。 Bob希望首先获得x1，然后重新确定x2使得x2≠x1。 防止两人作弊的方案称为“公平提交方案”。 两人使用一个公开的杂凑函数y=H(x)。方案如下：
杂凑函数
例1：设函数y=H(x)具有可加性：对任意的 x1，x2， H(x1)+H(x2)=H(x1+x2)。这样的函数不能作为杂凑函数。 取x1并计算y1=H(x1)；取x2并计算y2=H(x2)。 记y=y1+y2。求一个x使得y=H(x)，可以取x=x1+x2。 例2：设函数y=H(x)具有线性：对任意的 x，a，aH(x)=H(ax)。 这样的函数不能作为杂凑函数。 取x1并计算y1=H(x1)。 记y=ay1。求一个x使得y=H(x)，可以取x=ax1。
能用于任何大小的消息；
能产生定长输出； 寻找任意的M和M’，会满足H(M)=H(M’)很难。
哈希函数和散列函数
哈希函数和散列函数
哈希函数和散列函数是计算机科学中非常重要的概念。
哈希函数是一种将任意长度的消息映射到固定长度的消息的函数。
散列函数是一种将任意长度的消息映射到固定长度的消息的函数，但它还具有单向性质，即从散列值推导原始消息的难度非常大。
哈希函数可以用于数据的完整性验证、密码学中的消息摘要、散列表等场景。
常见的哈希函数有MD5、SHA-1、SHA-256等。
散列函数则可以用于密码学中的数字签名、加密算法等场景。
常见的散列函数有SHA-1、SHA-2、SHA-3等。
值得注意的是，哈希函数和散列函数虽然都可以将任意长度的消息映射到固定长度的消息，但它们的安全性和用途不同。
对于哈希函数，由于存在哈希碰撞的可能性，因此不能保证将不同的消息映射到不同的哈希值。
而对于散列函数，由于具有单向性质，因此即使知道散列值，也很难推导出原始消息。
在使用哈希函数和散列函数时，需要注意选择合适的算法，根据实际场景进行适当的参数配置，以保证数据的安全。
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scatter的名词
scatter的名词引言在我们日常生活中，我们经常会听到或使用到名词”scatter”。
这个单词在不同的领域中具有不同的含义和用法。
从统计学到地理学，从物理学到计算机科学，scatter都扮演着重要的角色。
本文将全面、详细、完整地探讨这个名词在各个领域中的意义和应用。
统计学中的scatter什么是scatter图？在统计学中，scatter图（散点图）是一种常见的图形表达方式，用于展示两个变量之间的关系。
它将一系列数据点以点的形式绘制在坐标系中，其中一个变量在纵轴上，另一个变量在横轴上。
scatter图的作用scatter图可以帮助我们观察和分析两个变量之间的关系，包括线性关系、非线性关系或无关系。
通过观察数据点的分布，我们可以得出一些初步的结论，并进一步进行统计分析。
scatter图的绘制方法绘制scatter图的方法很简单，我们只需要将两个变量的数据对应地绘制在坐标系中。
在Excel等软件中，我们可以利用图表工具直接生成scatter图。
scatter图的应用领域由于scatter图简单直观，广泛应用于许多领域。
以下是一些常见的应用案例：1.经济学：用于研究GDP与失业率之间的关系，或者价格与需求之间的关系。
2.生物学：用于研究体重与寿命之间的关系，或者植物生长与环境温度之间的关系。
3.社会科学：用于研究教育水平与收入之间的关系，或者犯罪率与人口密度之间的关系。
4.环境科学：用于研究气温与二氧化碳排放量之间的关系，或者降雨量与河流流量之间的关系。
地理学中的scatterscatter的地理意义在地理学中，scatter通常用作名词，表示”散布”或”分散”的意思。
它描述了地理现象或现象的分布情况。
scatter的应用1.地质学：用于描述岩石或矿石的分布情况，如沉积物的分布、地震活动的分布等。
2.气候学：用于描述气候要素的分布情况，如降水分布、温度分布等。
3.人文地理学：用于描述人类活动的分布情况，如人口分布、城市分布等。
散列函数杂凑函数哈希函数
MD系列
❖ 作者
Ronald Rivest
❖/~rivest/
❖ MD5
RFC1321
❖/rfc/rfc1321.txt
❖ 应用
曾经是最广泛的摘要算法 但是摘要太短(128bits) 而SHA有160bits
MD5强度
❖ 如果碰撞则意味着容易伪造/欺骗
对散列函数的生日攻击
找x和y满足H(x)=H(y)，则尝试多少个报文可以 找到一对（假设散列值n比特） 显然，最多尝试2n＋1个报文，必有一对冲突
❖其实，远在到达2n＋1之前，很可能早就找 到了(期望2n-1)
如果只要达到一定的概率(如1/2)，约需尝试 多少个不同报文 2n/2
第三轮的操作HH(a,b,c,d, M[j],s, t[i])表示 a=b+((a+(f(b,c,d)+M[j]+t[i]))<<s)
MD5算法第二、三、四轮
第二、三、四轮与第一轮非常相似。
第二轮的辅助函数： G(X,Y,Z) = (X ∧ Z) ∨ (Y ∧ ～Z) 第三轮的辅助函数： H(X,Y,Z) = X ⊕ Y ⊕ Z 第四轮的辅助函数： I(X,Y,Z) = Y ⊕ (X ∨ ～Z)
第二轮的操作：GG(a,b,c,d, M[j],s, t[i])表示 a=b+((a+(f(b,c,d)+M[j]+t[i]))<<s)
散列函数 h=H(m)
❖ 函数参数 输入：可以任意长度 输出：必须固定长度，一般64、128、160bits等
❖ 函数特性 单向性质 ❖给定h，要找x使H(x)＝h是困难的 弱抗碰撞特性 ❖对于给定的y，找x，使H(x)＝H(y)是困难的 强抗碰撞特性 ❖找x和y，使H(x)＝H(y)是困难的
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散列函数
又称hash函数，Hash函数(也称杂凑函数或杂凑算法)就是把任意长的输入消息串变化成固定长的输出串的一种函数。
这个输出串称为该消息的杂凑值。
一般用于产生消息摘要，密钥加密等.
一个安全的杂凑函数应该至少满足以下几个条件:
①输入长度是任意的;
②输出长度是固定的,根据目前的计算技术应至少取128bits长,以便抵抗生日攻击;
③对每一个给定的输入,计算输出即杂凑值是很容易的
④给定杂凑函数的描述,找到两个不同的输入消息杂凑到同一个值是计算上不可行的,或给定杂凑函数的描述和一个随机选择的消息,找到另一个与该消息不同的消息使得它们杂凑到同一个值是计算上不可行的。
Hash函数主要用于完整性校验和提高数字签名的有效性,目前已有很多方案。
这些算法都是伪随机函数,任何杂凑值都是等可能的。
输出并不以可辨别的方式依赖于输入;在任何输入串中单个比特的变化,将会导致输出比特串中大约一半的比特发生变化。
常见散列函数(Hash函数)
·MD5（Message Digest Algorithm 5）：是RSA数据安全公司开发的一种单向散列算法，MD5被广泛使用，可以用来把不同长度的数据块进行暗码运算成一个12 8位的数值；
·SHA（Secure Hash Algorithm）这是一种较新的散列算法，可以对任意长度的数据运算生成一个160位的数值；
·MAC（Message Authentication Code）：消息认证代码，是一种使用密钥的单向函数，可以用它们在系统上或用户之间认证文件或消息。
HMAC（用于消息认证的密钥散列法）就是这种函数的一个例子。
·CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验码，CRC校验由于实现简单，检错能力强，被广泛使用在各种数据校验应用中。
占用系统资源少，用软硬件均能实现，是进行数据传输差错检测地一种很好的手段（CRC 并不是严格意义上的散列算法，但它的作用与散列算法大致相同，所以归于此类）。
讨论几种散列函数。
在以下的讨论中，我们假设处理的是值为整型的关键码，否则我们总可以建立一种关键码与正整数之间的一一对应关系，从而把该关键码的检索转化为对与其对应的正整数的检索；同时，进一步假定散列函数的值落在0到M－1之间。
散列函数的选取原则是：运算尽可能简单；函数的值域必须在散列表的范围内；尽可能使得结点均匀分布，也就是尽量让不同的关键码具有不同的散列函数值。
需要考虑各种因素：关键码长度、散列表大小、关键码分布情况、记录的检索频率等等。
下面我们介绍几种常用的散列函数。
1、除余法
顾名思义，除余法就是用关键码x除以M（往往取散列表长度），并取余数作为散列地址。
除余法几乎是最简单的散列方法，散列函数为：h(x) ＝x mod M。
2、乘余取整法
使用此方法时，先让关键码key乘上一个常数A (0< A < 1)，提取乘积的小数部分。
然后，再用整数n乘以这个值，对结果向下取整，把它做为散列的地址。
散列函数为：hash ( key ) = _LOW( n ×( A ×key % 1 ) )。
其中，“A × key % 1”表示取 A ×key 小数部分，即： A ×key % 1 = A × key - _LOW(A ×key), 而_LOW(X)是表示对X取下整。
3、平方取中法
由于整数相除的运行速度通常比相乘要慢，所以有意识地避免使用除余法运算可以提高散列算法的运行时间。
平方取中法的具体实现是：先通过求关键码的平方值，从而扩大相近数的差别，然后根据表长度取中间的几位数（往往取二进制的比特位）作为散列函数值。
因为一个乘积的中间几位数与乘数的每一数位都相关，所以由此产生的散列地址较为均匀。
4、数字分析法
设有n 个 d 位数，每一位可能有r 种不同的符号。
这r 种不同的符号在各位上出现的频率不一定相同，可能在某些位上分布均匀些，每种符号出现的几率均等; 在某些位上分布不均匀，只有某几种符号经常出现。
可根据散列表的大小，选取其中各种符号分布均匀的若干位作为散列地址。
5、基数转换法
将关键码值看成另一种进制的数再转换成原来进制的数，然后选其中几位作为散列地址。
6、折叠法
有时关键码所含的位数很多，采用平方取中法计算太复杂，则可将关键码分割成位数相同的几部分（最后一部分的位数可以不同），然后取这几部分的叠加和（舍去进位）作为散列地址，这方法称为折叠法。
7、ELFhash字符串散列函数
ELFhash函数在UNIX系统V 版本4中的“可执行链接格式”( Executable and Linking Format，即ELF )中会用到，ELF文件格式用于存储可执行文件与目标文件。
ELFhash函数是对字符串的散列。
它对于长字符串和短字符串都很有效，字符串中每个字符都有同样的作用，它巧妙地对字符的ASCII编码值进行计算，ELFhash函数对于能够比较均匀地把字符串分布在散列表中。