校验和

                     

贡献者: addis

  • 术语可能不严谨
  • 需要预备词条:计算机文件:文件名,内容,metadata,文件系统

  1校验和(checksum)是指一类算法,可以将任意字节的数据(以下统称为文件)转换为一个简短的值。我们通常也将其称为文件的指纹(fingerprint)或者哈希值(hash)2。这可以用于检查两个文件的内容是否相同。

   通常来说,文件在储存或传输的过程中有一定可能会被损坏,例如网络故障,黑客攻击,或者储存介质的个别字节出现故障。如果我们知道文件原来的校验和,就可以随时重新做一次校验和,如果结果和以前不一样,就说明文件被改变了。这也是为什么一些网站的提供文件下载时同时也会提供各种校验和,以便用户下载以后对照校验和确保文件无误。

1. 碰撞

   然而要达到上述目的,理想的情况就是确保任何文件和它的指纹都是一一对应的。但实际上,我们只能确保内容相同的文件得到同样的指纹,或者说不同的指纹必定对应内容不同的文件。不同的文件有可能对应相同的指纹,我们把这种情况叫做碰撞(collision/clash)

   哈希碰撞的概率通常很小,但却无法避免。例如某文件有 100 个比特,那么就有可能有 $2^{100}$ 种不同的内容,但如果哈希值只有 10 个比特,那么只可能有 $2^{10}$ 个不同的哈希值,所以必定会出现碰撞。为了减小碰撞的可能性,我们可以使用更好的算法,或者用更长的指纹。

   为什么不同的算法会影响碰撞的可能性呢?我们可以考虑一个最简单的算法:把文件中每个字节对应的整数相加得到指纹。这显然是一个不好的算法,因为实际操作中很可能会出现两个文件仅仅存在字节顺序上的不同,例如 abcddcba 按照这个算法得到的结果都是一样的。所以好的算法在于能尽量减小实际使用时发生碰撞的概率。

2. 安全性

   除了碰撞,一个校验和算法的安全性也十分重要。安全性是指能否创造或修改某个文件,使得它具有指定的指纹。这种操作越难实现,算法就越安全。

   例如一个黑客在某文件被传输时将其篡改,为了防止被发现,将其篡改的文件略作不重要的修改使其具有和源文件相同的指纹,那么即使文件的接收者对比指纹,也不会有所察觉,这就使得这个算法不安全。

用于服务器保存密码

   网站的服务器中经常使用某种安全的指纹算法保存密码。这是因为如果一个网站的服务器中直接保存用户的密码明文,那么一旦这些明文密码被泄露,那么得到密码的人将可以任意访问用户的数据。

   更好的做法是服务器仅仅保存每个用户密码的哈希值,用户每次输入密码时,服务器先将密码转换为哈希值再验证是否正确。这样即使这些哈希值泄露,也不能把他们作为密码直接使用,或者逆向得到密码原文。

3. 常用算法

   SHA1(Secure Hash Algorithm 1)著名文件版本控制软件 Git 就是使用 SHA1 散列值来检查文件是否发生变化。这是一个广泛使用的算法,但 SHA1 已被破解,所以安全性无保障。

   MD5 是一个更安全的算法。

4. 常用软件

   大部分时候我们在命令行中操作,如 linux 的 sha1sum 文件名, md5sum 文件名 等命令,但也有一些软件提 GUI 界面,可以通过鼠标右键菜单的方式获得校验和,如压缩软件 7zip。

   Linux 用 find 文件夹 -type f -exec sha1sum {} \; | sort | sha1sum 可以对比两个文件夹。对比包含文件名,文件夹名,和每个文件的 hash,不包括 metadata(例如权限,最后修改时间等)。


1. ^ 本文参考 Wikipedia 相关页面
2. ^ 严格来说这些不是同义词,但人们经常混用


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