什么是 SHA-256 算法及其工作原理- SSL Dragon

最后更新于 4 4 月, 2025 由 Dionisie Gitlan

想象一下，你想给朋友发送一条秘密信息，但又不想让别人读到。你可以创建一个只有你的朋友才能理解的独特密码。在数字世界中，我们使用一种叫做加密算法的东西来保护我们的信息安全。这些算法中最重要和最广泛使用的算法之一是SHA-256。

但SHA-256 到底是什么，它是如何工作的？在本文中，我们将逐步探讨 SHA-256，解释它的意义，并告诉你为什么它是现代网络安全的基石。

什么是 SHA-256？

SHA-256，即 256 位安全散列算法，是一种加密散列函数，可将输入数据转换为固定长度的256 位字符串。它广泛应用于区块链、数字签名和密码散列，以保护数据免遭篡改和未经授权的访问。

SHA-256 可确保即使输入数据发生微小变化，也能生成完全不同的哈希值，因此是验证数据完整性和保护敏感信息的可靠工具。它是SHA-2系列的一部分，由美国国家安全局（NSA）开发。

让我们来分析一下这些术语：

安全散列算法（SHA）：这是一套加密函数，旨在确保数据安全。它们将数据转换成固定大小的字符串，看起来是随机的。
256 位：指算法产生的输出长度。对于 SHA-256，无论输入数据的大小如何，输出总是256 位。

SHA-256 如何工作

SHA-256 通过一系列复杂的步骤，将输入数据切碎、混合，然后生成一个唯一的、固定大小的字符串，代表你的数据。这个哈希值就像数字指纹，为确保数据完整性和真实性提供了一种安全可靠的方法。

了解 SHA-256 的工作原理似乎令人望而生畏，但让我们把它分解成几个简单的步骤。

步骤 1：输入准备。首先，为处理输入数据（长度不限）做好准备。这包括填充数据以确保其适合固定大小的块。想象一下，你有一个拼图，在开始组装之前，你需要每块拼图的大小都一样。填充就是在数据末尾添加额外的比特（通常是一个 “1”，然后是足够多的 “0”），再加上一个表示数据原始长度的比特。
步骤 2：初始设置。 SHA-256 从一些初始哈希值开始。将这些值视为计算的起点。这些值是算法预先定义的常数，由前八个质数的平方根的分数部分导出。
步骤 3：分块处理数据。 然后，准备好的数据被分割成每个 512 位的数据块。每个数据块经过 64 轮运算处理。下面是一个简化的思路：
- 将其分成更小的块：每个 512 位的数据块被分成 16 个较小的数据块，每个数据块 32 位。
- 扩展数据块：通过一系列逻辑运算，将这 16 个数据块扩展为 64 个数据块。
步骤 4：压缩功能。 SHA-256 的主要工作发生在压缩功能中，它以 64 轮处理每个 512 位的数据块。想象一下，你有一把密码锁，通过一系列步骤转动它；每一步都取决于锁的当前状态和之前步骤的位置。

混合和变换：对于 64 轮中的每一轮，算法都会使用按位运算（如 AND、OR、XOR）、模块加法和位移的组合。这些运算以一种复杂但可预测的方式混合数据，确保即使输入中的微小变化也会极大地改变输出。
步骤 5：制作最终哈希值。 在处理完所有区块后，最终的哈希值将合并生成 256 位哈希值。这个最终哈希值是原始输入数据的唯一指纹。就像指纹一样，即使原始数据发生最小的变化，也会产生完全不同的哈希值。

SHA-256 的安全方面

SHA-256 以其强大的安全功能而闻名，成为全球密码系统的基石。让我们深入了解 SHA-256 的安全可靠之处。

密码特性

抗碰撞性抗碰撞性意味着很难找到产生相同哈希值的两个不同输入。这一特性确保每个唯一的输入都有唯一的哈希值，这对数据完整性至关重要。如果碰撞很容易找到，那么伪造数据就有了可能。
预映像抗性预映像抗性使从哈希值逆向工程原始输入变得极其困难。这确保了即使有人掌握了哈希值，也无法确定原始数据。这对于保护密码等敏感信息至关重要。
第二预映像抗性：第二预映像抗性是指找到与给定输入产生相同哈希值的不同输入具有挑战性。这一特性可防止攻击者找到具有相同哈希值的另一个有效输入，从而确保哈希数据的唯一性。

抵御攻击

长度扩展攻击：当攻击者利用一条信息的哈希值生成一条更长信息的哈希值时，就会发生长度扩展攻击。虽然 SHA-256 容易受到长度扩展攻击，但谨慎的实施技术（如使用 HMAC（基于散列的报文验证码））可以降低这种风险。
暴力攻击：在暴力破解攻击中，攻击者会尝试所有可能的输入，直到找到与哈希值匹配的输入为止。大量可能的输入使得暴力攻击变得不切实际。例如，256 位散列的可能组合数量是一个天文数字。

量子计算

量子计算机解决问题的速度比经典计算机快得多，因此有可能破解许多现有的密码系统。

到目前为止，SHA-256 仍然可以抵御量子攻击。不过，研究人员正在开发抗量子攻击的算法，为量子计算的未来发展做好准备。

为什么 SHA-256 值得信赖

SHA-256 在全球范围内广泛应用于各种关键应用，从确保互联网通信安全到保护数字货币。
它的广泛使用和密码学界对它的严格审查使其值得信赖。
NIST（美国国家标准与技术研究院）等机构推荐 SHA-256 用于安全应用，进一步验证了其可靠性。

SHA-256 的安全性在于其强大的加密特性、抵御常见攻击的能力以及应对量子计算等未来挑战的能力。这些方面确保了 SHA-256 继续成为保护数字信息的重要工具。

SHA-256 的真实世界示例和案例研究

SHA-256 不仅仅是一个理论概念，它的实际应用还影响着我们的日常数字互动。以下是一些现实世界中的例子和案例研究，它们凸显了 SHA-256 的重要性。

比特币和其他加密货币

SHA-256 最突出的用途之一是比特币和其他加密货币。在比特币网络中，SHA-256 具有多种关键功能。每笔交易都使用 SHA-256 进行散列，以创建唯一的标识符。

此外，矿工在工作证明过程中使用 SHA-256 验证并向区块链添加新区块。这需要解决复杂的数学难题，以确保整个区块链的安全性和完整性。

SHA-256 的稳健性有助于防止欺诈和重复消费，使其成为加密货币安全的重要组成部分。

SSL/TLS 证书

安全套接层（SSL）和传输层安全（TLS）是用于确保互联网上通信安全的协议。通过确保SSL/TLS 证书的完整性和真实性，SHA-256 在这些协议中发挥着至关重要的作用。

访问安全网站时，浏览器会使用 SHA-256验证网站提供的证书。这种验证可确保网站是合法的，浏览器与网站之间交换的数据是加密和安全的。如果没有 SHA-256，中间人攻击和其他安全漏洞的风险将大大增加。

软件分发

在软件分发领域，确保下载文件未被篡改至关重要。开发者通常会为其软件包提供 SHA-256 哈希值。然后，用户可以计算下载文件的哈希值，并与提供的 SHA-256 哈希值进行比较。如果哈希值匹配，则可确认文件是真实的，未被篡改。

这一过程有助于保护用户，防止下载损坏或恶意软件。例如，大型软件库和开源项目通常使用 SHA-256 哈希值来维护分发软件的完整性。

数据完整性与验证

SHA-256 广泛用于维护各种应用中的数据完整性。例如，在云存储服务中，SHA-256 可确保文件在传输或存储过程中未被更改或损坏。

上传文件时，会计算并存储文件的 SHA-256 哈希值。无论何时访问或下载文件，都会重新计算其散列并与原始散列进行比较，以确保文件保持不变。这种机制让用户确信他们的数据完好无损，未被修改。

数字签名

数字签名主要依靠 SHA-256 来确保电子文档的真实性和完整性。在对文件进行数字签名时，会使用 SHA-256 计算出文件的哈希值。然后用签名者的私人密钥对该哈希值进行加密，生成数字签名。

收件人可以用签名者的公开密钥解密签名，并将得到的哈希值与收到的文件的哈希值进行比较，从而验证签名。如果哈希值匹配，则确认文件真实无误且未被篡改。这一过程被广泛应用于法律文件、合同和安全通信中。

案例研究：美国联邦政府

美国联邦政府规定使用 SHA-256 来保护敏感信息的安全。例如，政府机构使用 SHA-256 来保护机密文件、确保通信渠道安全以及验证访问政府系统的用户身份。

采用 SHA-256 算法可确保敏感数据的机密性，防止未经授权的访问和篡改。这种广泛的使用强调了该算法在关键安全应用中的可靠性和可信度。

SHA-256 是众多实际应用中的基本工具，可在各个领域提供安全性和完整性。它的稳健性和可靠性使其成为数字基础设施不可或缺的一部分，确保我们的数据和通信安全。

SHA-256 与其他加密算法的比较

要了解 SHA-256 如何脱颖而出，需要将其与其他著名的散列算法进行比较。以下是一些关键异同的详细解释。

SHA-256 与 SHA-1

SHA-1最初被认为是安全的，但随着时间的推移发现了一些漏洞，使其容易受到碰撞攻击。这意味着有可能找到两个不同的输入，产生相同的哈希值，从而破坏了算法的可靠性。

相比之下，SHA-256 的安全性要高得多，而且没有已知的实际碰撞漏洞。就哈希长度而言，SHA-1 产生的哈希值为 160 位，而 SHA-256 产生的哈希值为 256 位，因此 SHA-256 更能抵御暴力攻击。

尽管 SHA-1 曾被广泛用于 SSL 证书、数字签名和密码散列，但由于其存在漏洞，目前已基本被淘汰。另一方面，SHA-256 目前被推荐用于安全应用，包括 SSL/TLS 证书、区块链和数据完整性。

SHA-256 与 SHA-3

SHA-3被设计为一种备份，以防包括 SHA-256 在内的 SHA-2 发现弱点。与使用 Merkle-Damgård 结构的 SHA-256 相比，SHA-3 使用了不同的底层结构，即 Keccak 算法，使其能够抵御不同类型的攻击。

SHA-3 和 SHA-256 都能产生相同长度的哈希值，如 256 位，因此适用于类似的应用。

SHA-3 用于需要额外安全保证或 SHA-2 可能被认为不够安全的情况。不过，SHA-256 仍然是当前大多数应用的首选，因为它已建立了信任并得到广泛支持。

SHA-256 与 MD5

众所周知，MD5存在严重的安全漏洞，包括易受碰撞和预映像攻击，在加密方面已被认为过时。相比之下，SHA-256 要安全得多，没有已知的碰撞和预映像攻击的实际漏洞。

MD5 产生 128 位散列值，而 SHA-256 产生 256 位散列值，安全性更高。

MD5 以前用于校验和完整性检查，但现在已被更安全的算法所取代。SHA-256 现在用于安全应用，包括曾经使用 MD5 的应用，以确保更好的保护。

SHA-256 因其在性能和安全性之间的平衡而脱颖而出。虽然 SHA-3 等新算法提供了更多安全功能，但 SHA-256 仍是值得信赖和广泛使用的数据保护解决方案。

SHA-256 的未来

随着技术的发展，对加密安全的挑战和要求也在不断提高。尽管 SHA-256 仍是当今数字安全的基石，但展望未来并考虑其未来也是至关重要的。

持续研究。研究人员不断分析和测试 SHA-256，以找出任何潜在的漏洞。这种严格的审查确保 SHA-256 始终是一种可靠、安全的算法。密码分析技术的进步最终可能会暴露出漏洞，但迄今为止，SHA-256 已被证明是有弹性的。
量子计算的潜在威胁。量子计算的出现是 SHA-256 未来面临的最重大挑战之一。量子计算机有可能比传统计算机更快地解决复杂的数学问题，从而有可能破坏当前的加密算法，包括 SHA-256。不过，到目前为止，SHA-256 仍然可以抵御量子攻击。研究人员正在积极开发抗量子攻击算法，为量子计算的未来发展做好准备。
过渡到 SHA-3。SHA-256 是 SHA-2 系列的一部分，而其后继者 SHA-3 则是作为备份开发的，以防在 SHA-2 中发现任何漏洞。SHA-3 使用一种名为 Keccak 的不同结构，提供了额外的安全层。随着技术和加密需求的发展，我们可能会看到在需要提高安全性的特定应用中，逐渐过渡到 SHA-3 或其他高级算法。
持续采用和调整。SHA-256 被广泛采用并集成到各种系统中，这确保了它在可预见的未来继续被使用。不过，随着新的安全需求的出现，我们可能会看到 SHA-256 的调整或与其他加密技术的结合，以进一步增强安全性。例如，在混合方法中将 SHA-256 与其他算法集成，可以提供多层安全性，使潜在攻击者更难破坏数据。
教育工作和最佳实践。教育开发人员、安全专业人员和广大公众了解密码安全的重要性以及 SHA-256 等算法的作用至关重要。推广实施和使用 SHA-256 的最佳实践有助于降低风险并确保其有效应用。这包括正确的密钥管理、定期更新和对新威胁的认识。
未来的标准和法规。随着数字领域的不断发展，管理加密实践的标准和法规也在不断变化。NIST（国家标准与技术研究院）等组织会不断更新其指导方针，以反映最新的安全研究和技术进步。未来的标准可能会纳入新的研究成果和最佳实践，以维护稳健的安全框架，从而对 SHA-256 的使用和发展产生潜在影响。

尽管 SHA-256 如今仍然是一种强大且广泛使用的加密算法，但其未来将由持续的研究、量子计算等新兴技术以及不断发展的安全标准所决定。通过保持知情和适应能力，我们可以确保 SHA-256 在保护我们的数字世界方面继续发挥重要作用。