关于Python散列算法的必要知识

使用散列（又称哈希）将输入数据转换成一个固定大小的值。该值唯一地表示数据，散列技术使各种形式的数据的安全传输和存储变得容易。

散列可以保护数据免受未经授权的访问和篡改。它是数据完整性和安全用例中的重要组成部分。

本文探讨了关于 Python 散列所需了解的一切。它深入探讨了散列的用途，并重点介绍了各种散列算法，这些算法可使您的代码更加高效、和可靠。

什么是 Python 中的散列？

散列将输入数据（如字符串、文件或对象）转换为固定大小的字节串。哈希值或摘要以唯一且可重现的方式表示输入。

散列在检测数据操作和增强安全性方面发挥着重要作用。它可以为文件、信息或其他数据计算哈希值。应用程序可以安全地存储哈希值，以便日后验证数据是否被篡改。

哈希值在安全方面最常见的用途之一就是。散列是在数据库中存储纯文本密码的一种可行替代 *** 。当用户输入密码时，系统会先对密码进行散列处理，然后再将其存储到数据库中。如果黑客访问数据库，他们会发现密码很难被窃取。

Python 哈希函数使这一切成为可能。这些数学函数可以让应用程序将数据处理成散列值。

如何 *** 有效的散列函数

散列函数应符合以下标准，才能有效且安全：

• 确定性 – 给定相同的输入，函数应始终返回相同的输出。
• 高效 – 在计算任何给定输入的散列值时，它应具有较高的计算效率。
• 抗碰撞 – 函数应尽量减少两个输入产生相同哈希值的几率。
• 均匀性 – 函数的输出应均匀分布在可能的哈希值范围内。
• 不可逆转 – 计算机不可能根据哈希值计算出函数的输入值。
• 不可预测 – 在给定一组输入的情况下，预测函数的输出应具有挑战性。
• 对输入变化敏感 – 函数应对输入中的微小差异非常敏感。微小的变化应导致结果哈希值的巨大差异。

散列使用案例

一旦掌握了具备所有这些特性的散列函数，就可以将其应用于各种用例。散列函数可以很好地用于：

• 密码存储 – 散列是现代系统中存储用户密码的更佳 *** 之一。Python 结合各种模块对密码进行散列并确保其安全，然后再将其存储到数据库中。
• 缓存 – 散列可以存储函数的输出，以便在以后调用时节省时间。
• 数据检索 – Python 使用带有内置字典数据结构的散列表，可按键快速检索值。
• 数字签名 – 散列可以验证具有数字签名的信息的真实性。
• 文件完整性检查 – 散列可以检查文件在传输和下载过程中的完整性。

Python 内置散列函数

Python 内置的散列函数 hash() 返回一个代表输入对象的整数值。然后，代码使用得到的散列值来确定对象在散列表中的位置。哈希表是一种实现了字典和 *** 的数据结构。

下面的代码演示了 hash() 函数如何工作：

my_string = "hello world"
# Calculate the hash value of the string
hash_value = hash(my_string)
# Print the string and its hash value
print("String: ", my_string)
print("Hash value: ", hash_value)

如果我们将代码保存在名为 hash.py 的文件中，就可以像这样执行它（并查看输出）：

% python3 hash.py
String:  hello world
Hash value:  2213812294562653681

让我们再运行一次：

% python3 hash.py
String:  hello world
Hash value:  -631897764808734609

由于最近发布的 Python（3.3 及更高版本）默认为该函数应用随机哈希种子，因此第二次调用时的哈希值是不同的。每次调用 Python 时，种子都会改变。在单个实例中，结果将是相同的。

例如，让我们把这段代码放到 hash.py 文件中：

my_string = "hello world"
# Calculate 2 hash values of the string
hash_value1 = hash(my_string)
hash_value2 = hash(my_string)
# Print the string and its hash values
print("String: ", my_string)
print("Hash value 1: ", hash_value1)
print("Hash value 2: ", hash_value2)

执行时，我们会看到这样的画面：

String: hello world
Hash value 1:  -7779434013116951864
Hash value 2:  -7779434013116951864

散列的局限性

尽管 Python 的哈希函数在各种用例中都很有前途，但它的局限性使其不适合用于安全目的。下面就来看看它的局限性：

• 碰撞攻击 – 当两个不同的输入产生相同的散列值时，就会发生碰撞。攻击者可以使用相同的输入 *** 绕过依赖哈希值进行身份验证或数据完整性检查的安全措施。
• 有限的输入大小 – 由于散列函数会产生固定大小的输出，而与输入的大小无关，因此大于散列函数输出的输入会导致碰撞。
• 可预测性 – 哈希函数应具有确定性，每次提供相同的输入都会产生相同的输出。攻击者可能会利用这一弱点，预先编译许多输入的哈希值，然后将它们与目标值哈希值进行比较，找出匹配的结果。这个过程被称为彩虹表攻击。

为防止攻击并确保数据安全，请使用专为抵御此类漏洞而设计的安全散列算法。

在 Python 中使用 hashlib 实现安全散列

与其使用内置的 Python hash() ，不如使用 hashlib 来获得更安全的散列。该 Python 模块提供了多种安全散列数据的散列算法。这些算法包括 MD5、SHA-1 和更安全的 SHA-2 系列，包括 SHA-256、SHA-384、SHA-512 等。

MD5

广泛使用的加密算法 MD5 能生成 128 位的散列值。使用下面的代码，使用 hashlib 的 md5 构造函数生成 MD5 哈希值：

import hashlib
text = "Hello World"
hash_object = hashlib.md5(text.encode())
print(hash_object.hexdigest())

上述结果（在我们的 hash.py 文件中）在不同的调用中将保持一致：

b10a8db164e0754105b7a99be72e3fe5

注：上述代码中的 hexdigest() *** 以十六进制格式返回哈希值，可用于任何非二进制表达（如电子邮件）。

SHA-1

SHA-1 散列函数通过生成一个 160 位的散列值来确保数据安全。使用下面的代码和 sha1 构造函数来获取 hashlib 模块的 SHA-1 哈希值：

import hashlib
text = "Hello World"
hash_object = hashlib.sha1(text.encode())
print(hash_object.hexdigest())

上述结果的输出：

0a4d55a8d778e5022fab701977c5d840bbc486d0

SHA-256

SHA-2 系列有多种散列选项。hashlib SHA-256 构造函数可生成该系列中更安全的 256 位散列值。

程序员经常将 SHA-256 用于加密，如数字签名或消息验证码。下面的代码演示了如何生成 SHA-256 哈希值：

import hashlib
text = "Hello World"
hash_object = hashlib.sha256(text.encode())
print(hash_object.hexdigest())

上述结果的输出：

a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e

SHA-384

SHA-384 是一个 384 位的散列值。程序员经常在需要提高数据安全性的应用程序中使用 SHA-384 函数。

根据前面的示例，你大概可以猜到这是一条生成 SHA-384 散列值的语句：

hash_object = hashlib.sha384(text.encode())

SHA-512

SHA-512 是 SHA-2 家族中最安全的成员。它能生成 512 位的散列值。程序员将其用于高吞吐量应用，如检查数据完整性。下面的代码展示了如何使用 Python 中的 hashlib 模块生成 SHA-512 哈希值：

hash_object = hashlib.sha512(text.encode())

如何选择散列算法

由于这些算法各不相同，因此应根据使用情况及其安全要求选择散列算法。下面是一些应遵循的步骤：

• 了解用例 – 用例决定了使用哪种算法。例如，在存储密码等敏感数据时，散列算法应能防止暴力攻击。
• 考虑你的安全要求 – 用例的安全要求取决于你打算存储的数据类型，它们决定了要选择什么样的算法。例如，稳健的散列算法最适合存储高度敏感的信息。
• 研究可用的散列算法 – 探索每种散列类型，了解其优缺点。这些信息可以帮助你选择最适合你的使用案例的选项。
• 评估所选散列算法 – 一旦选择了散列算法，就要评估它是否符合安全要求。这一过程可能包括针对已知攻击或漏洞进行测试。
• 实施和测试散列算法 – 最后，彻底实施和测试该算法，以确保其正确、安全地运行。

如何使用散列存储密码

散列技术在存储密码方面具有出色的潜力，而密码是 *** 安全的一个重要组成部分。

理想情况下，应用程序会将密码散列并存储在安全的数据库中，以防止未经授权的访问和数据泄露。不过，仅靠散列可能不足以保护信息。散列密码仍然容易受到暴力和字典攻击。黑客通常使用这些 *** 来猜测密码，并在未经授权的情况下访问账户。

使用散列存储密码的更安全 *** 是加盐技术。在对密码进行散列运算之前，加盐技术会在每个密码中添加唯一的随机字符串或字符。盐值对每个密码都是唯一的，应用程序会将其与散列密码一起存储在数据库中。

每次用户登录时，应用程序都会从数据库中检索盐值，将其添加到输入的密码中，然后对组合后的盐值和密码进行散列。

如果攻击者获得了数据库的访问权限，他们就必须为每个密码和每个可能的盐值计算散列值。加盐会使这些攻击变得更加复杂，因此是阻止字典攻击的有效技术。

Python 的 secrets 模块让加盐变得简单。该模块可生成随机盐，安全地存储密码并管理令牌和加密密钥。

下面的代码使用 hashlib 库和 secrets 模块来进一步保护用户密码：

import hashlib
import secrets
# Generate a random salt using the secrets module
salt = secrets.token_hex(16)
# Get the user's password from input
password = input("Enter your password: ")
# Hash the password using the salt and the SHA-256 algorithm
hash_object = hashlib.sha256((password + salt).encode())
# Get the hexadecimal representation of the hash
hash_hex = hash_object.hexdigest()
# Store the salt and hash hex in your database

如何使用散列进行数据完整性检查

散列还有助于检查数据的完整性，保护传输的数据不被修改和篡改。这种四步技术使用加密哈希函数为文件提供唯一的哈希值。

首先，选择适当的散列函数，用它为输入数据生成散列值。存储哈希值，然后在需要时使用它进行比较。无论何时需要验证数据的完整性，应用程序都会使用相同的哈希函数生成当前数据的哈希值。然后，应用程序将新的哈希值与存储的值进行比较，以确保它们完全相同。如果相同，则数据未损坏。

散列值是唯一的，即使输入数据发生微小的变化，也会引发明显不同的散列值。这样就很容易检测到对传输数据的任何未经授权的更改或修改。

下面的步骤演示了使用哈希函数进行数据完整性检查。

步骤 1：导入 hashlib 模块

import hashlib

步骤 2：使用哈希算法

def generate_hash(file_path):
# Open the file in binary mode
with open(file_path, "rb") as f:
# Read the contents of the file
contents = f.read()
# Generate the SHA-256 hash of the contents
hash_object = hashlib.sha256(contents)
# Return the hexadecimal representation of the hash
return hash_object.hexdigest()

步骤 3：调用函数并输入文件路径

file_path = "path/to/my/file.txt"
hash_value = generate_hash(file_path)
print(hash_value)

步骤 4：生成原始文件和已传输或修改文件的哈希值

# Generate the hash of the original file
original_file_path = "path/to/my/file.txt"
original_file_hash = generate_hash(original_file_path)
# Tran *** it or modify the file (for example, by copying it to a different location)
tran *** itted_file_path = "path/to/tran *** itted/file.txt"
# Generate the hash of the tran *** itted file
tran *** itted_file_hash = generate_hash(tran *** itted_file_path)

步骤 5：比较两个哈希值

if original_file_hash == tran *** itted_file_hash:
print("The file has not been tampered with")
else:
print("The file has been tampered with")

小结

散列对于数据完整性和密码安全非常重要。使用安全的散列技术（如使用 hashlib 模块和加盐）可以更大限度地利用散列函数。

这些技术有助于防止彩虹攻击、碰撞攻击和其他影响散列的安全漏洞。程序员经常将这些技术与 Python 中的散列函数一起使用，以确保文件的数据完整性和密码的安全存储。