单向加密算法（又称 哈希算法 或 散列算法）是一种将任意长度的输入数据转换为固定长度输出（通常是一个哈希值或摘要）的算法，并且不可逆，即无法通过哈希值恢复原始数据。单向加密算法在密码学中广泛应用，用于数据完整性校验、数字签名、消息认证、密码存储等场景。

单向加密算法的特性

1. 不可逆性：对于任何输入数据，无法通过哈希值逆向推算出原始数据。这是哈希算法的核心特性。
2. 固定长度输出：无论输入数据的长度如何，哈希值的长度始终是固定的。例如，SHA-256 总是输出 256 位（32 字节）的哈希值。
3. 敏感性：哈希算法对输入数据的微小变化非常敏感。即使输入数据只有一个比特的变化，哈希值也会发生巨大变化。
4. 唯一性：理想的哈希算法应该能确保不同的输入数据产生不同的哈希值，虽然由于哈希输出的固定长度，理论上可能发生哈希冲突（即不同的输入数据生成相同的哈希值）。优秀的哈希算法尽量避免这种情况，尽可能减少哈希冲突的可能性。

常见的单向加密算法

1. MD5（Message Digest Algorithm 5）

   • 输出长度：128 位（16 字节）
   • 应用：MD5 曾经广泛用于文件校验和数字签名等，但由于发现它存在碰撞漏洞（即不同输入可以产生相同的哈希值），现在被认为不安全，不再推荐用于安全敏感的场合。
   • 算法特性：效率较高，但容易发生哈希碰撞。

2. SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）

   • 输出长度：160 位（20 字节）
   • 应用：SHA-1 一度广泛用于数字签名、SSL/TLS 协议等，但也已经被证明存在碰撞漏洞，因此被认为不再安全，逐渐被 SHA-256 和 SHA-3 等更安全的算法取代。
   • 算法特性：比 MD5 更安全，但依然存在潜在漏洞。

3. SHA-256（Secure Hash Algorithm 256）

   • 输出长度：256 位（32 字节）
   • 应用：SHA-256 是当前最广泛使用的哈希算法之一，广泛应用于区块链、数字签名、TLS/SSL 等安全协议中。它是 SHA-2 系列中的一种，具有较高的安全性。
   • 算法特性：SHA-256 是安全性较高的哈希算法，相比 MD5 和 SHA-1，它抵抗碰撞攻击的能力更强。

4. SHA-3（Keccak）

   • 输出长度：可以选择不同的输出长度（224、256、384、512 位等）
   • 应用：SHA-3 是最新的安全哈希算法，由 NIST 于 2015 年发布。它设计上与 SHA-2 有较大的不同，具有更强的安全性。
   • 算法特性：SHA-3 具有较好的抵抗性，采用了与 SHA-2 不同的构造方法，被认为更加稳健。

5. HMAC（Hashed Message Authentication Code）

   • 工作原理：HMAC 是一种基于哈希算法的消息认证码，用于验证消息的完整性和真实性。它结合了一个密钥和一个哈希算法（如 SHA-256 或 MD5）来生成消息的认证码。
   • 应用：HMAC 经常用于加密协议中，如 SSL/TLS 和 IPsec 等，确保数据未被篡改并且来源可信。

6. BLAKE2

   • 输出长度：可以灵活选择（最大 512 位）
   • 应用：BLAKE2 是一种新型的密码学哈希函数，比 SHA-2 和 MD5 更高效且具有更强的安全性，常用于文件完整性校验和数字签名等。
   • 算法特性：高效、具有较强的抗碰撞能力，适合各种应用场景。

单向加密的应用场景

1. 密码存储：

   • 用户的密码通常不直接存储，而是存储经过哈希算法加密后的哈希值。即使黑客访问了存储数据库，也无法通过哈希值恢复密码。
   • 盐值（Salt）：为了增强哈希值的安全性，通常会在密码加密前加入盐值（一个随机的字符串），这样即使两个用户使用相同的密码，它们的哈希值也会不同。

2. 数据完整性验证：

   • 用于验证文件或消息在传输过程中是否被篡改。例如，文件上传时，客户端和服务器可以通过哈希值来比较文件的完整性。
   • 通常使用哈希算法生成文件的哈希值，然后将哈希值与文件一起发送，接收方可以用相同的哈希算法重新计算文件的哈希值，若一致则文件未被修改。

3. 数字签名和消息认证：

   • 在数字签名中，消息摘要（哈希值）会被加密，生成签名。接收方用发送方的公钥解密签名，验证消息是否完整且未被篡改。

4. 区块链技术：

   • 区块链中的每个区块都包含一个哈希值，它是上一个区块的哈希值和当前区块数据的哈希值的组合。通过哈希算法确保区块链中的数据不可篡改。

5. 验证码生成和校验：

   • 例如，在网站登录时，用户输入的验证码通常会经过哈希处理，然后与服务器上的哈希值进行比较，以确定验证码是否正确。

常见单向加密算法对比

算法	输出长度	安全性	性能	应用场景
MD5	128 位	不安全	高	校验和、文件完整性
SHA-1	160 位	不安全	中等	数字签名、SSL/TLS
SHA-256	256 位	安全	中等	数字签名、区块链、TLS/SSL
SHA-3	可变	非常安全	较慢	未来的标准、安全协议
BLAKE2	可变	非常安全	非常高	文件校验、数据完整性、加密协议