原始讨论见: https://v2ex.com/t/1145673
我问 Gemini:
帮助我理解下面的讨论:
A:
总共有关联 6 个问题,没找到答案,于是想一起问。
- 对于>256 字节的文件,对全文和尾部 128 位字节分别进行 xxHash3-128 然后拼接得到 256bit 散列和 SHA256 一次得到的 256bit 哪个更抗碰撞?
- 用于命名用户上传的文件,另外加盐用拼接还是 XOR 方式更好?
- 如果拼接的话,拼接在开头是不是要把原文 byte[]复制一遍,影响性能?
- 我知道应用于签名场景的话不能拼接在末尾,因为 SHA256 可以向末尾追加块,但是应用于标题这个场景是否安全(会增加暴露盐值让 hash 值可预测)?
- 如果通过将原文头部和盐 XOR 运算效果会不会更好?
- xxHash3 的 seed 可以代替盐吗?
B:
- 把 xxHash3-128 和 SHA-256 对比还挺滑稽的,因为 xxHash3 从未为密码学设计,而安全性是全称命题(感性认知上属于不刻意设计就很可能不存在的性质)。
- 不理解什么是用 XOR 加盐,但我能想象的最简单的方式( XOR 消息之后散列,或者 XOR 散列值,或者两者都做)都很糟糕。
- 大多数 hash 算法都支持流式喂送数据,你只要调用两次名字类似 AppendData / Update 的方法就行了。
- 不太确定你想象中的“签名”是什么。如果你说的是 HMAC ,首先这是 MAC 而不是签名,然后 HMAC 和简单 hash 区别很大。
- 见 3.
- 见 1.
另外,盐是散列函数索引 (hash key/index, or “seed” sometimes) 的实践表现,每个散列函数使用独立的 seed 从可证明安全角度自然没有“再加盐”的必要。
Gemini 回答:
好的,我们来深入解析一下这段对话。
这段讨论的核心是:用户 A 试图通过“自己动手”的方式,将一个非加密哈希算法 (xxHash) 改造得“足够安全”,用于文件命名。而用户 B 则以一个更专业的安全视角,指出了这种做法的根本性错误和危险性。
简单来说,A 在问“我该如何用木头造一辆跑车?”,而 B 在回答“你不应该用木头造跑车,你应该直接去买一辆真正的跑车。”
下面我将逐条为你详细解释,并补充一些背景知识。
核心思想解析
- 用户 A 的目标: 为用户上传的文件生成一个唯一的、抗碰撞的、256位的标识符(文件名)。他希望兼顾
xxHash
的速度和SHA256
的安全性。 - 用户 A 的方法: “自己动手,创造密码学”(Roll Your Own Crypto)。他想通过拼接、XOR、加盐等方式,把一个不安全的东西变得安全。
- 用户 B 的观点: 这是密码学中的第一大忌。安全性是一个系统性的、需要严格数学证明的属性,不是通过简单的“混合”就能得到的。使用未经安全设计的算法来处理安全问题,从一开始就错了。
逐条问题详解
问题 1: xxHash3 拼接 vs. SHA256,哪个更抗碰撞?
- A 的提议:
hash = xxHash3_128(全文) + xxHash3_128(文件尾部)
- B 的回答: “把 xxHash3-128 和 SHA-256 对比还挺滑稽的…安全性是全称命题。”
- 专家解读:
- B 的回答一针见血。这个问题的比较本身就没有意义。
- SHA256 的抗碰撞性是密码学级别的。意思是,即使有一个拥有巨大算力的恶意攻击者,想主动找出两个不同的文件能产生同一个 SHA256 值,在计算上也是不可行的。
- xxHash 的抗碰撞性是统计学级别的。意思是,对于随机的、非恶意的输入,它能很好地将它们散列到不同的值,以避免“意外”碰撞。但如果一个攻击者知道你用了 xxHash,他可以非常轻松地、在几毫秒内构造出无数个能产生相同 xxHash 值的文件。
- A 的拼接方案安全性如何?它的安全性等同于其最薄弱的一环,也就是 xxHash。 攻击者完全可以忽略你的拼接手法,直接针对 xxHash 的弱点进行攻击。因此,A 的方案完全不具备密码学上的抗碰撞性。
问题 2 & 5: 加盐用拼接还是 XOR?
- A 的提议:
hash(盐 + 原文)
还是hash(盐 XOR 原文)
? - B 的回答: “不理解什么是用 XOR 加盐…(但)都很糟糕。”
- 专家解读:
- B 的直觉是完全正确的。在密码学中,处理输入数据的标准方式是拼接,而不是 XOR。
- 拼接 (Concatenation):
hash(salt + message)
是相对标准和安全的方式(尤其是在盐是固定长度且放在前面时)。 - XOR:
hash(salt XOR message)
是非常危险的。如果salt
比message
短,它会被重复使用,产生密码分析上的弱点。更糟糕的是,如果攻击者能以某种方式控制部分message
,他或许能抵消掉salt
的作用。例如,如果文件的开头是一段固定的、已知的头部信息,攻击者就可以通过 XOR 操作推断或抵消盐值。永远不要用 XOR 来“混合”盐和消息。
问题 3: 拼接的性能问题
- A 的担忧:
salt + message
是不是要把message
的字节数组完整复制一遍,影响性能? - B 的回答: “大多数 hash 算法都支持流式喂送数据,你只要调用两次…Update 的方法就行了。”
- 专家解读:
- B 的回答是 100% 正确的,并指出了一个关键的工程实践。
- 所有设计良好的哈希库都提供流式(Streaming)API。你不需要在内存里把盐和整个文件拼接成一个巨大的新对象。
- 操作流程是这样的:
- 初始化一个哈希上下文(hasher)。
- 向 hasher “喂”入盐 (
hasher.update(salt)
)。 - 接着向同一个 hasher “喂”入文件的内容,可以一块一块地喂,不需要一次性读入内存 (
hasher.update(file_chunk_1)
,hasher.update(file_chunk_2)
, …)。 - 最后,从 hasher 中获取最终的哈希结果 (
hasher.digest()
)。
- 这种方式内存效率极高,无论文件有多大。
问题 4: 盐放在末尾与签名
- A 的担忧: 知道
hash(message + salt)
对于签名场景不安全(因为长度扩展攻击),那么在文件命名场景下是否安全? - B 的回答: “不确定你想象中的‘签名’是什么…如果你说的是 HMAC…区别很大。”
- 专家解读:
- A 了解到一个真实的攻击——长度扩展攻击 (Length Extension Attack),这值得肯定。这种攻击针对
hash(secret + message)
这种结构。 - B 再次纠正了 A 的术语和理解。A 想要的不是“数字签名”(通常基于非对称加密),而是消息认证码 (MAC),它用于验证消息的完整性和真实性。
- HMAC (Hash-based MAC) 是解决这个问题的标准方案。它的结构是
hash( (key XOR opad) + hash( (key XOR ipad) + message) )
。这个复杂的结构就是为了彻底防御长度扩展攻击等问题。 - 对于 A 的文件命名场景,虽然长度扩展攻击本身可能不是直接威胁,但这再次暴露了他试图“自己动手”解决一个已有标准方案的问题。正确做法就是使用 HMAC-SHA256。
- A 了解到一个真实的攻击——长度扩展攻击 (Length Extension Attack),这值得肯定。这种攻击针对
问题 6: xxHash3 的 seed 可以代替盐吗?
- A 的提议: 用 xxHash 自带的
seed
功能是不是就不用自己加盐了? - B 的回答: “见 1…盐是散列函数索引…的实践表现…使用独立的 seed…没有‘再加盐’的必要。”
- 专家解读:
- B 的回答分为两层:
- “见 1”: 既然 xxHash 本身不安全,讨论如何“安全地”使用它的 seed 就没有意义了。这是根本问题。
- 但是,从理论上讲:B 的第二部分解释非常到位。在一个设计良好的哈希函数中,
seed
或key
参数就是实现“加盐”功能的正确方式。它被设计为算法初始状态的一部分,比手动在外部拼接更安全、更高效。
- 所以,如果我们在使用一个密码学安全的哈希函数(比如 BLAKE3),那么使用它自带的
key
参数就是最理想的“加盐”方式,不需要再手动拼接。A 的问题本身是好的,只是用错了对象。
- B 的回答分为两层:
总结与正确方案
用户 A 的所有问题都源于一个错误的前提:试图用非安全工具解决安全问题。
解决 A 的原始需求的正确方案是什么?
他需要一个快速、安全、能加盐的哈希算法来为文件命名。
方案一:行业标准 (The Gold Standard)
使用 HMAC-SHA256。它绝对安全,被广泛应用和审查。速度对于单个文件命名来说完全足够。
# 'secret_key' 应该是你保密的、随机生成的长字符串
# 'input_file' 是用户上传的文件
openssl dgst -sha256 -hmac "secret_key" input_file
方案二:现代、高性能的选择 (The Best of Both Worlds)
使用 BLAKE3。这是一个现代的加密哈希算法,它:
- 极其快速:速度与 xxHash 相当,远超 SHA256。
- 密码学安全:由顶级密码学家设计,安全性与 SHA-256 同级。
- 内置 keyed hashing 模式:这正是 A 想要的
seed
功能,是实现“加盐”的完美方式。
这完美地满足了 A 对速度和安全性的所有要求。