Что такое алгоритм SHA-256 и как он работает

Общей характеристикой всех SSL-сертификатов, независимо от бренда, цены и типа, является алгоритм SHA-256. Вы увидите упоминание об этом в деталях сертификата или в характеристиках, перечисленных в информации о продукте. Для не-технарей SHA-256 обычно является полной загадкой.

В этой статье мы хотим показать Вам, что такое SHA-256 и как он работает, не слишком углубляясь в технический жаргон и математику, лежащую в его основе.

---

Оглавление

1. Что такое хэширование?
2. Что такое алгоритм SHA-256?
3. Объяснение SHA-256
4. Ключевые особенности алгоритма SHA-256
5. Безопасен ли SHA-256?
6. Как работает SHA-256?
7. Для чего используется SHA-256?
8. История алгоритмов SHA

---

Чтобы понять алгоритм SHA-256, нам нужно сначала объяснить, что такое хэширование.

Что такое хэширование?

Хеширование – это процесс преобразования любой заданной информации в другое значение. По сути, он содержит блоки данных, которые преобразуются в короткий ключ фиксированной длины или значение из исходной строки. Он включает в себя прогон данных через математическую функцию, которая преобразует их в уникальную и сложную серию символов.

Хеширование обеспечивает безопасный и эффективный способ проверки целостности данных. Когда Вы хэшируете часть данных, Вы можете сравнить полученный хэш с известным или ожидаемым значением, чтобы убедиться, что данные не были подделаны или испорчены. Если значения хэша совпадают, Вы можете быть уверены, что данные не были изменены или модифицированы с момента их первоначального хэширования.

Одно из преимуществ хэширования заключается в том, что оно необратимо. Вы не можете использовать хэш-значение для получения исходных данных. Это свойство делает хэширование полезным для хранения паролей, поскольку оно позволяет хранить хэш пароля, а не сам пароль. Когда пользователь вводит свой пароль, система может хэшировать его и сравнить с сохраненным хэш-значением, чтобы убедиться в правильности пароля, без необходимости вводить его на самом деле.

---

Что такое алгоритм SHA-256?

SHA-256 – это криптографическая хэш-функция, которая генерирует 256-битное (32-байтное) хэш-значение фиксированного размера. Цель алгоритма SHA-256 – создать уникальный цифровой отпечаток части данных, например, сообщения или файла.

SHA-256 относится к алгоритму криптографического хэширования, в котором входные данные обрабатываются с помощью сложной математической функции, в результате чего на выходе получается определенный хэш. Этот хэш действует как цифровой отпечаток пальца, уникально представляя исходные данные.

---

Объяснение SHA-256

SHA-256, аббревиатура от Secure Hash Algorithm 256-bit, является членом криптографической хэш-функции SHA-2, разработанной АНБ. Он широко используется в различных приложениях безопасности (таких как цифровые подписи, аутентификация паролей и технология блокчейн) и протоколах, включая TLS и SSL, PGP, SSH, IPsec и другие.

SHA-256 разработана как односторонняя функция, а это значит, что практически невозможно получить исходные данные на выходе хэша. Этот атрибут делает его незаменимым инструментом для проверки целостности данных, поскольку любое изменение входных данных, даже на один символ, приводит к кардинальному изменению хэш-значения.

---

Как работает SHA-256?

SHA-256 работает, принимая входной сигнал (часто строку текста или данных) и обрабатывая его с помощью ряда математических операций. Алгоритм делит входные данные на блоки по 512 бит, каждый из которых обрабатывается за 64 раунда операций. Эти операции включают побитовые логические функции, такие как AND, OR, XOR, а также сложение и побитовое вращение.

Давайте посмотрим на реальный пример того, как работает хэширование. Допустим, Вы написали сообщение “Я люблю яблоки” и применили к нему хэш-функцию SHA-256. Вот что Вы получите:

40b7df43f24bea395b2c0c3c9d48a3db4db631fa396dd0dd8fe7dc64c9de6f6d

Теперь давайте добавим восклицательный знак в конце Вашего сообщения, чтобы оно выглядело следующим образом: “Я люблю яблоки!” и сгенерируем вывод. Результат может Вас удивить:

1751c183f35ed15c2977e5ae7e439fdca79eeae28527ece6efc1a24e4388096f

Как Вы можете видеть, при использовании всего одного дополнительного символа результат получается совершенно другим, но длина остается прежней. Неважно, пишете ли Вы слово или эссе, хэш-значение будет идентичным, скрывая размер исходных данных.

Если бы Вы хотели отправить это сообщение другу, Вы бы указали хэш-значение и алгоритм. Ваш друг сгенерирует хэш на своей стороне, и если он совпадет, он будет уверен, что сообщение подлинное.

Теперь давайте посмотрим на техническую сторону.

---

Ключевые особенности алгоритма SHA-256

Ключевыми характеристиками алгоритма SHA-256 являются длина сообщения, длина дайджеста и необратимость.

• Длина сообщения: Длина открытого текста (читаемый текст до его шифрования) должна быть менее 264 бит.
• Длина дайджеста: Длина хэш-дайджеста (результат применения криптографической хэш-функции к данным) должна составлять 256 бит. При установке SSL-сертификата на свой сервер Вы можете выбрать SHA-512 и более крупные дайджесты. Хотя SHA-512 более безопасен, его не рекомендуется использовать в большинстве систем, поскольку он требует больше вычислений и мощности компьютера.
• Необратимость: Все хэш-функции, такие как SHA-256, являются необратимыми по своей природе. Для каждого входа у Вас есть ровно один выход, но не наоборот. Несколько входов дают один и тот же выход. Выход имеет фиксированный размер, но вход не имеет ограничений по размеру.

---

Безопасен ли SHA-256?

Хотя ни один криптографический алгоритм не застрахован от атак, алгоритм SHA-256 прошел всесторонний анализ и испытание временем, оставаясь важным элементом защиты цифровых данных.

Защита SHA-256 использует комбинацию сложных математических и побитовых операций для генерации хэш-значения.

Такая конструкция делает чрезвычайно сложным поиск двух входов, которые дают одинаковый хэш. Однако безопасность SHA-256 зависит от правильной реализации и силы протоколов безопасности, используемых в приложении, которое его применяет.

Одним из слабых мест алгоритма SHA-256 является возможность атаки на коллизию. Это происходит, когда два разных входа дают одно и то же хэш-значение. Хотя в случае с SHA-256 это маловероятно, поскольку генерируется 256-битное хэш-значение (т.е. несколько возможных выходов), теоретически это все же возможно. Если атака на коллизию окажется успешной, она может скомпрометировать приложение, которое полагается на хэш-значения SHA-256 для проверки целостности данных.

---

Каковы этапы алгоритма SHA-256?

Как Вы уже знаете, SHA-256 берет входные данные и обрабатывает их через серию математических операций, называемых раундами. Каждый раунд состоит из нескольких этапов, включая предварительную обработку данных, расширение сообщения и функцию сжатия сообщения.

Вот основные шаги алгоритма SHA-256:

1. Предварительная обработка данных: Входные данные подбиваются и расширяются, чтобы их длина была кратна 512 битам, путем добавления одного бита, за которым следуют нули, а затем добавляется длина исходного сообщения в битах.
2. Расширение сообщения: 512-битный входной блок делится на 16 32-битных слов, а затем расширяется до 64 32-битных слов с помощью серии логических операций.
3. Сжатие сообщения: Расширенный блок сообщения из 64 слов затем обрабатывается в течение 64 раундов, каждый из которых включает в себя несколько шагов:
   – Определите константу раунда: Каждый раунд имеет уникальное 32-битное значение константы, сгенерированное на основе позиции в последовательности.
   – Рассчитайте расписание сообщений: На основе блока сообщений из 64 слов и константы раунда составляется расписание сообщений на 64 входа.
   – Обновление рабочих переменных: Рабочие переменные, которые представляют собой 8 32-битных слов, хранящих промежуточные значения в процессе хэширования, обновляются на основе расписания сообщений и набора логических операций.
   – Вычислите хэш-значение: После завершения всех 64 раундов итоговые значения рабочих переменных объединяются, чтобы получить 256-битное хэш-значение.

Результатом работы хэш-алгоритма SHA-256 является 256-битное итоговое хэш-значение, которое служит цифровым отпечатком входных данных.

---

Для чего используется SHA-256?

SHA-256 – это стандартный алгоритм хэширования для проверки цифровой подписи, SSL-хэндшейка, защиты паролей и множества других операций, связанных с безопасностью.

1. Проверка цифровой подписи. Цифровая подпись – это тип электронной подписи, используемый для подтверждения подлинности и целостности сообщения (например, электронного письма, транзакции по кредитной карте или цифрового документа). Он создается путем хэширования файла и использования PKI (Public Key Infrastructure) для его шифрования.
   
   Роль хэш-алгоритма SHA-256 во всем процессе заключается в обеспечении целостности цифровой подписи. Клиент получателя проверяет алгоритм хэширования на своей стороне и использует открытый ключ для расшифровки сообщения. Если они совпадают, данные являются подлинными и неизменными.
2. Рукопожатие SSL. Рукопожатие SSL – важнейший элемент сеансов просмотра веб-страниц, и оно опирается на совместимость и функции SHA-256. Передача данных по протоколу SS/TLS всегда начинается с SSL handshake – асимметричной криптографии, которая позволяет браузеру проверить веб-сервер, получить открытый ключ и установить безопасное соединение перед началом передачи данных.
3. Защита паролем. Веб-сайты хранят пароли пользователей в хэшированном формате. Как уже говорилось, безопасное хэширование паролей превращает их в короткую строку букв и/или цифр с помощью алгоритма шифрования. Если сайт взломан, злоумышленники не получают доступа к хэшированным паролям.
4. Проверка транзакций с помощью Blockchain. Хеш-алгоритм SHA-256 – это первый алгоритм, который был использован в криптовалюте, когда был создан Биткойн. Заголовки блоков – важный элемент блокчейн, поскольку они помогают выстроить цепочку/соединить один блок транзакций со следующим в определенном порядке. Хэш SHA-256 гарантирует, что предыдущие блоки не будут изменены без вмешательства в заголовок нового блока.

---

История алгоритмов SHA

Безопасные криптографические хэш-алгоритмы – это творение Агентства национальной безопасности (АНБ). Правительство Соединенных Штатов запатентовало эту технологию, а затем выпустило ее по безвозмездной лицензии для использования всеми желающими.

Первый алгоритм SHA-0 датируется 1993 годом. Его преемник, SHA-1, появился в 1995 году, и, несмотря на то, что его взломали, он до сих пор используется на старых серверах и клиентах. Шесть лет спустя, в 2001 году, АНБ опубликовало семейство алгоритмов хэширования SHA -2, включающее SHA-256 и другие пять хэш-функций:

• SHA 224
• SHA 384
• SHA 512
• SHA 512/224
• SHA 512/256

5 августа 2015 года NIST (Национальный институт стандартов и технологий) выпустил SHA -3, новейший защищенный хэш-алгоритм с другим внутренним устройством алгоритма. Хотя в настоящее время NIST не планирует снимать с производства алгоритм SHA-2, SHA-3 может заменить его в текущих приложениях, если это будет необходимо.

По данным SSL Pulse, глобальной панели мониторинга качества поддержки SSL / TLS, на основе списка самых популярных сайтов в мире, составленного Alexa, 97,2% используют алгоритм SHA-256.

---

Заключительные слова

Хеш-алгоритм SHA-256 является неотъемлемой частью защиты данных в Сети. В этой статье мы лишь поцарапали его поверхность, не погружаясь глубже в математику и функции, стоящие за ним. Тем не менее, теперь Вы имеете общее представление о назначении и использовании алгоритма.

Пока мы не создадим квантовый компьютер, обладающий достаточной мощностью для взлома сложных хэш-функций, SHA-256 будет оставаться стандартным алгоритмом хэширования для целостности данных и файлов. До такого сценария еще несколько десятилетий, поэтому пока что SHA-256 будет частью протоколов шифрования и аутентификации.

Часто задаваемые вопросы