C++|SHA-256、SHA-3或专门设计的密码哈希函数

发布于：2024-09-18 ⋅ 阅读:(12) ⋅ 点赞:(0)
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SHA-256、SHA-3或专门设计的密码哈希函数

SHA-256、SHA-3以及专门设计的密码哈希函数都是用于确保数据完整性和安全性的算法。它们各自有不同的特点和用途：

SHA-256

  • 全称：Secure Hash Algorithm 256-bit
  • 类型：加密哈希函数
  • 用途：SHA-256 是 SHA-2（Secure Hash Algorithm 2）家族的一部分，广泛用于确保数据完整性。它生成一个256位的哈希值。
  • 特点：SHA-256 比 MD5 和 SHA-1 更安全，因为它的哈希值更长，抵抗碰撞攻击的能力更强。它常用于数字签名、证书、验证和区块链技术。
  • 应用场景：适用于需要较高安全性的数据完整性验证，但不适用于密码存储，因为它的计算速度相对较快，可能会受到暴力破解的威胁。

SHA-3

  • 全称：Secure Hash Algorithm 3
  • 类型：加密哈希函数
  • 用途：SHA-3 是 SHA 家族的最新成员，设计上与 SHA-2 不同，提供了更多的灵活性和安全性。它同样用于确保数据完整性。
  • 特点：SHA-3 基于不同的数学基础，被称为 Keccak 算法。它提供了多个输出长度的变体，包括224、256、384和512位。
  • 应用场景：适用于需要高安全性和灵活性的环境，例如在新的安全协议和区块链技术中。

专门设计的密码哈希函数

  • 类型：密码学哈希函数
  • 用途：这些函数专门设计用于密码学应用，尤其是密码存储和认证。
  • 特点：它们通常包括“记忆性”（memory-hard）和“计算性”（compute-hard）特性，使得它们更难被并行计算和定制硬件加速，从而抵抗暴力破解攻击。此外，它们还可能包括“抵抗彩虹表攻击”的设计。
  • 常见算法：
    • bcrypt：设计用于密码存储，包括一个工作因子（work factor），可以调整算法的计算强度。
    • scrypt：旨在使暴力破解更加困难，通过使用大量内存来抵抗定制硬件的攻击。
    • Argon2：赢得了密码哈希竞赛（Password Hashing Competition），被认为是一种高效的密码哈希函数，具有抵抗侧信道攻击和定制硬件攻击的能力。

结论

  • 如果你的应用需要验证数据完整性，并且需要较高的安全性，可以选择 SHA-256 或 SHA-3。
  • 如果你需要存储密码，应该选择专门为密码存储设计的哈希函数，如 bcrypt、scrypt 或 Argon2，因为它们提供了额外的安全特性，可以抵御针对密码的攻击。

在选择哈希函数时，还应考虑当前的安全最佳实践和任何相关的法律或标准要求。

C++实现SHA-256的使用示例

在C++中，你可以使用多种库来实现SHA-256哈希函数，其中比较流行的是OpenSSL库。以下是使用OpenSSL库在C++中实现SHA-256的一个简单示例：

首先，确保你的系统上安装了OpenSSL开发库。在大多数Linux发行版中，你可以使用包管理器来安装它。例如，在Ubuntu上，你可以使用以下命令安装：

sudo apt-get install libssl-dev

然后，你可以编写以下C++代码来计算字符串的SHA-256哈希值：

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <openssl/sha.h>
#include <string>
#include <sstream>

// 函数用于将字节数组转换为十六进制字符串
std::string bytes_to_hex_string(const unsigned char* data, size_t len) {
    std::stringstream ss;
    for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
        ss << std::hex << std::setw(2) << std::setfill('0') << (int)data[i];
    }
    return ss.str();
}

int main() {
    // 待哈希的数据
    std::string data = "Hello, World!";
    
    // 创建SHA256哈希对象
    unsigned char hash[SHA256_DIGEST_LENGTH];
    SHA256_CTX sha256;
    SHA256_Init(&sha256);
    SHA256_Update(&sha256, reinterpret_cast<const unsigned char*>(data.c_str()), data.size());
    SHA256_Final(hash, &sha256);
    
    // 将哈希值转换为十六进制字符串
    std::string hash_hex = bytes_to_hex_string(hash, sizeof(hash));
    
    std::cout << "SHA-256 Hash: " << hash_hex << std::endl;
    
    return 0;
}

在这个示例中，我们使用了SHA256_Init、SHA256_Update和SHA256_Final函数来初始化哈希上下文、更新数据和获取最终的哈希值。然后，我们将哈希值转换为十六进制字符串。

请注意，你需要链接OpenSSL库来编译这个程序。如果你使用的是g++编译器，可以使用以下命令来编译代码：

g++ -o sha256_example sha256_example.cpp -lcrypto

这将生成一个名为sha256_example的可执行文件，你可以运行它来查看SHA-256哈希值。

确保你的OpenSSL库是最新的，因为旧版本可能不包含SHA-256函数。如果你遇到任何问题，可能需要更新你的OpenSSL库。

C++实现SHA-3的使用示例

在C++中，你可以使用一些加密库来实现SHA-3哈希函数。一个流行的库是OpenSSL，它提供了对多种加密算法的支持，包括SHA-3。以下是使用OpenSSL库在C++中实现SHA-3的一个简单示例：

首先，确保你的系统上安装了OpenSSL库。在大多数Linux发行版中，你可以使用包管理器来安装它。例如，在Ubuntu上，你可以使用以下命令安装：

sudo apt-get install libssl-dev

然后，你可以编写以下C++代码来计算字符串的SHA-3哈希值：

#include <iostream>
#include <openssl/sha.h>
#include <iomanip>
#include <sstream>

// 函数用于将字节数组转换为十六进制字符串
std::string bytes_to_hex_string(const unsigned char* data, size_t len) {
    std::stringstream ss;
    for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
        ss << std::hex << std::setw(2) << std::setfill('0') << (int)data[i];
    }
    return ss.str();
}

int main() {
    // 待哈希的数据
    std::string data = "Hello, World!";
    
    // 创建SHA3哈希对象
    unsigned char hash[SHA3_LEN];
    SHA3_CTX ctx;
    SHA3_Init(&ctx);
    SHA3_Update(&ctx, reinterpret_cast<const unsigned char*>(data.c_str()), data.size());
    SHA3_Final(hash, &ctx);
    
    // 将哈希值转换为十六进制字符串
    std::string hash_hex = bytes_to_hex_string(hash, sizeof(hash));
    
    std::cout << "SHA3-" << SHA3_LEN * 8 << " Hash: " << hash_hex << std::endl;
    
    return 0;
}

在这个示例中，我们使用了SHA3_Init、SHA3_Update和SHA3_Final函数来初始化哈希上下文、更新数据和获取最终的哈希值。然后，我们将哈希值转换为十六进制字符串。

请注意，你需要链接OpenSSL库来编译这个程序。如果你使用的是g++编译器，可以使用以下命令来编译代码：

g++ -o sha3_example sha3_example.cpp -lcrypto

这将生成一个名为sha3_example的可执行文件，你可以运行它来查看SHA-3哈希值。

请确保你的OpenSSL版本支持SHA-3。如果你的系统上的OpenSSL版本较旧，可能需要更新或安装支持SHA-3的版本。

C++实现专门设计的密码哈希函数的使用示例

在C++中，实现专门设计的密码哈希函数，如bcrypt、scrypt或Argon2，通常需要使用第三方库，因为这些算法比标准的哈希函数更复杂，包含了额外的安全特性。以下是使用这些库的一些示例：

使用bcrypt

bcrypt 是一个基于Blowfish密码学算法的自适应哈希函数，它可以通过增加工作因子来抵抗暴力破解攻击。

在Linux系统上，你可以使用libbcrypt库。首先，你需要安装这个库：

sudo apt-get install libbcrypt-dev

然后，你可以编写以下C++代码来使用bcrypt：

#include <iostream>
#include <bcrypt.h>

int main() {
    const char* password = "mysecretpassword";
    char* hashed = bcrypt_hashpw(password, bcrypt_gensalt(12));

    if (hashed) {
        std::cout << "Hashed password: " << hashed << std::endl;
        free(hashed);
    } else {
        std::cerr << "Error hashing password." << std::endl;
    }

    return 0;
}

编译时，确保链接了bcrypt库：

g++ -o bcrypt_example bcrypt_example.cpp -lbcrypt

使用scrypt

scrypt 是另一种密码哈希函数，它旨在使用大量内存，使得并行暴力破解更加困难。

你可以使用libscrypt库。在Linux上，你可能需要从源代码编译这个库，因为它可能不在标准仓库中。

以下是一个使用libscrypt的示例：

#include <iostream>
#include <scrypt.h>

int main() {
    const char* password = "mysecretpassword";
    uint8_t derived_key[64]; // 密钥长度可以根据需要调整

    if (scrypt(password, strlen(password), "salt", 8, 1, 1, derived_key, sizeof(derived_key)) == 0) {
        std::cout << "Key derivation successful." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Key derivation failed." << std::endl;
    }

    return 0;
}

编译时，确保链接了scrypt库：

g++ -o scrypt_example scrypt_example.cpp -lscrypt

使用Argon2

Argon2 是密码哈希竞赛的获胜者，它提供了多种版本，包括Argon2d（抵抗侧信道攻击）和Argon2id（结合了Argon2d和Argon2i的特点）。

你可以使用libargon2库。在Linux上，你可以使用包管理器来安装它：

sudo apt-get install libargon2-0 libargon2-0-dev

以下是一个使用libargon2的示例：

#include <iostream>
#include <argon2.h>

int main() {
    const char* password = "mysecretpassword";
    uint8_t out[16]; // 输出缓冲区

    if (argon2i( Argon2::ARGON2_DEFAULT, password, strlen(password), NULL, 0, 1, 2, 16, out, sizeof(out) ) == ARGON2_OK ) {
        std::cout << "Hashing successful." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Hashing failed." << std::endl;
    }

    return 0;
}

编译时，确保链接了argon2库：

g++ -o argon2_example argon2_example.cpp -largon2

请注意，这些代码示例仅供参考，实际使用时可能需要根据库的具体API和你的需求进行调整。此外，密码哈希函数的使用应该遵循最新的安全最佳实践，包括适当的盐值生成和存储、密钥派生率的选择等。

适当的盐值生成和存储是什么意思

在密码学中，盐值（salt）是一个随机数据片段，用于与密码组合，以确保即使两个用户有相同的密码，他们存储的哈希值也会不同。盐值的目的是为了增加密码哈希的复杂度，使得彩虹表攻击（一种使用预先计算的哈希值表来破解密码的方法）变得不切实际。

适当的盐值生成和存储包括以下几个要点：

  1. 随机性：盐值应该是随机生成的，不能有任何可预测的模式。通常使用密码学安全的随机数生成器来产生盐值。

  2. 唯一性：每个密码的盐值应该是唯一的，即使两个用户的密码相同，他们的盐值也应该是不同的。

  3. 足够的长度：盐值不需要非常长，但对于大多数现代应用，至少8到16字节的随机数据通常就足够了。

  4. 存储：盐值应该与密码的哈希值一起存储在数据库中。当验证用户密码时，需要取出相应的盐值，将其与用户输入的密码组合，然后哈希以与存储的哈希值进行比较。

  5. 安全性：盐值不应该被公开，也不应该通过不安全的方式传输。

  6. 不可逆：盐值不应该被存储为明文，也不应该能够从哈希值中恢复。

以下是一个简单的C++示例，演示如何生成盐值并使用它来哈希密码：

#include <iostream>
#include <openssl/rand.h>
#include <iomanip>
#include <sstream>
#include <openssl/sha.h>

// 生成随机盐值
std::string generate_salt(int length) {
    std::string salt;
    const char charset[] = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789+/";
    int charset_len = sizeof(charset) - 1;
    while (length-- > 0) {
        salt += charset[RAND_bytes(reinterpret_cast<unsigned char*>(&charset_len), sizeof(charset_len)) % charset_len];
    }
    return salt;
}

// 函数用于将字节数组转换为十六进制字符串
std::string bytes_to_hex_string(const unsigned char* data, size_t len) {
    std::stringstream ss;
    for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
        ss << std::hex << std::setw(2) << std::setfill('0') << (int)data[i];
    }
    return ss.str();
}

int main() {
    // 待哈希的密码
    std::string password = "mysecretpassword";
    // 生成盐值
    std::string salt = generate_salt(16);
    
    // 创建SHA256哈希对象
    unsigned char hash[SHA256_DIGEST_LENGTH];
    SHA256_CTX sha256;
    SHA256_Init(&sha256);
    // 将盐值和密码组合后进行哈希
    std::string salted_password = salt + password;
    SHA256_Update(&sha256, reinterpret_cast<const unsigned char*>(salted_password.c_str()), salted_password.size());
    SHA256_Final(hash, &sha256);
    
    // 将哈希值转换为十六进制字符串
    std::string hash_hex = bytes_to_hex_string(hash, sizeof(hash));
    
    std::cout << "SHA-256 Hash with salt: " << hash_hex << std::endl;
    std::cout << "Salt used: " << salt << std::endl;
    
    return 0;
}

在这个示例中，我们首先生成了一个随机的盐值，然后将盐值与密码组合，并对这个组合进行SHA-256哈希。最后，我们将哈希值和盐值都输出到控制台。在实际应用中，你会将盐值和哈希值一起存储在数据库中，以便将来进行密码验证。

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