什麼是 SHA 加密？SHA-1 與 SHA-2 比較

什麼是 SHA 加密？

安全哈希演算法（SHA）是由美國國家標準與技術研究院（NIST）發布的一組密碼雜湊函數，屬於美國聯邦資訊處理標準（FIPS）。SHA 加密可用於多種場景，包括數據雜湊、數碼證書檔案處理，以及比特幣等加密貨幣中的其他密碼學用途。這些雜湊演算法為現代互聯網基礎設施的核心安全提供支援。

你最常接觸到的 SHA 函數族是 SHA-1 和 SHA-2：

SHA-1是一種 160 位元雜湊函數，由 MD5 演算法的相關研究發展而來。SHA-1 雜湊最初由美國國家安全局（NSA）設計，作為其數碼簽署演算法的組成部分。但後續研究發現 SHA-1 存在密碼學弱點，2010 年之後，該標準不再獲准用於絕大多數密碼學場景。由於 SHA-1 已無法符合現行網絡安全標準，SHA-2 已成為應用最廣泛的 SHA 函數。

SHA-2是在發現針對 SHA-1 的低成本暴力破解攻擊後不久開發的。它是由兩個結構相似、區塊大小不同的雜湊函數組成的函數族，即 SHA-256 和 SHA-512。SHA-256 和 SHA-512 的核心區別在於字長：SHA-256 使用 32 位元組字，而 SHA-512 使用 64 位元組字。這兩個標準還有各自的修改版本，包括 SHA-224、SHA-384、SHA-512/224 和 SHA-512/256。現時最常用的 SHA 函數是 SHA-256，在當前的電腦處理能力下，它能提供充足的安全防護。SHA-2 採用 Merkle–Damgård 結構，搭配 Davies–Meyer 壓縮函數。

除了這些較為知名的類型外，你可能還會接觸到另外兩個 SHA 變體族：SHA-0 和 SHA-3：

SHA-0是現時我們對 1993 年以 SHA 演算法為名發布的 160 位元（即 20 位元組）雜湊函數基礎版本的稱呼。該雜湊函數發布後不久，就因發現重大缺陷而停止使用；在對底層理論進一步完善後，SHA-1 正式面世。

SHA-3是現時增長速度最快的 SHA 加密技術。它與其他 SHA 演算法的區別在於採用了新開發的 Keccak 雜湊函數。它支援的雜湊長度與 SHA-2 相同，但兩者存在顯著結構差異。SHA-3 的獨特之處在於其整體結構基於廣泛的隨機函數生成機制，一般支援所有隨機排列，因此可以吸收（即輸入）任意長度的數據，再擠出（即輸出）處理後的數據。這種機制生成的輸出具備有效的偽隨機性，理論上安全性更高。

SHA-1 與 SHA-2 的區別是什麼？

SHA-1 和 SHA-2 的區別在於，對於任何給定輸入，其生成的訊息摘要（雜湊後的內容）的「長度」即「位元數」不同。摘要的位元數越多，透過暴力破解手段攻破的難度就越高——正是這類攻擊推動了 SHA 演算法從 SHA-1 迭代升級。對於相同輸入，SHA-2 生成 256 位元摘要，而 SHA-1 函數生成 160 位元摘要。由於這一差異，SHA-1 的安全性較弱，有機會為兩個不同的數據值生成相同的摘要；而 SHA-2 可為每個數據值生成唯一摘要，因為它的組合數量極大（256 位元函數共有 2^256 種可能的組合）。

SHA 加密有哪些應用場景？

SHA 廣泛應用於各類安全協定及應用中，包括傳輸層安全（TLS）、安全通訊端層（SSL）、數碼簽署、S/MIME 電郵證書、PGP 和 IPsec。美國部分政府應用出於保護敏感數據的需要，會透過法例強制要求使用這類加密。此外，Google、Microsoft、Mozilla 等瀏覽器廠商已開始推薦使用 SHA-3，停止使用 SHA-1 演算法。

SHA 最重要的用途之一，是在 SSL/TLS 協定中作為數碼簽署的雜湊演算法使用。

SSL 和 TLS 是密碼學協定，用於在互聯網上為客戶端與伺服器建立安全通訊通道。TLS/SSL 證書屬於一類X.509 證書，用於向瀏覽器驗證伺服器的身份。

部署此類證書的目的不僅是提供身份認證，還要確認客戶端瀏覽器所通訊的遠端伺服器的真實身份。證書中包含Web伺服器的相關資訊，以及與之關聯的密鑰檔案。證書若要被正常接受、在無任何安全錯誤的前提下建立SSL/TLS會話，必須包含對應的DNS資訊且處於有效期內。

SHA加密是如何運作的？

顧名思義，SHA是一種哈希演算法。任意數據經過該演算法處理後，都會生成一個唯一的哈希值，無法被其他任何數據重現。生成的數碼簽署同樣具備唯一性，因為它由數據本身計算出的哈希值生成。在實際通訊場景中會使用對稱加密技術，即用於哈希計算或加密數據的同一密鑰也會被用於解密，這一機制使得公開密碼匙可以公開披露，同時不會危及私密密碼匙的安全。

大多數哈希演算法都基於最初的MD4哈希演算法開發，因此具備相似的運作邏輯。

任意類型哈希運算的基礎流程為：先將輸入內容（即原始訊息）轉換為二進制格式，再通過一系列基於標準晶體管與匯流排基礎運算的簡單函數處理，這類運算包括AND（與）、XOR（異或）、NOT（非）、Rotate（循環移位）、OR（或）。最終得到的哈希值是具備唯一性但無實際語義的十六進制值。哈希計算需要執行這些簡單運算，這也是人們可以設計專用集成電路（ASIC）來優化哈希運算性能的原因之一。

針對SHA-256哈希運算，專門設計的新型芯片可以提升從輸入內容生成哈希值的速度。在比特幣挖礦場景中，這意味着每秒可完成更多哈希計算，從而提升獲得挖礦獎勵的概率。

SHA是安全的嗎？

SHA-1（安全哈希算法1）誕生於1995年，自2005年起就已被證實存在漏洞存在理論攻擊風險。美國國家標準與技術研究院自2010年起禁止美國聯邦機構使用SHA-1，數碼證書頒發機構（CA）則自2016年1月1日起不得簽發採用SHA-1簽名的證書，不過存在部分豁免情形。

儘管各方已採取措施在部分領域逐步淘汰SHA-1的使用，該演算法仍在多個場景中被廣泛使用，包括以下場景的校驗：

• 信用卡交易
• 電子文檔
• 電郵PGP/GPG簽名
• 開源軟件倉庫
• 備份檔案
• 軟件更新

這些豁免場景帶來了更高的暴露風險，因此業界施加了很大壓力，推動相關場景最終遷移至安全性更高的標準。包括Google Chrome在內的多款瀏覽器已開始向訪問者提示所有採用SHA-1簽名的證書為不安全證書。

從定義層面來看，SHA系列演算法是安全的，但隨着新版本迭代推出，各版本對應的安全等級也在逐步提升。如前所述，SHA-0的已知漏洞多於SHA-1，而SHA-1的已知漏洞又多於SHA-2。隨着敏感數據攻防雙方的對抗持續升級，這一趨勢未來仍將延續。

我應該使用哪種SHA演算法？

為了保障用戶的數據加密安全，您應始終選擇最適配當前項目的SHA演算法。目前最常用的是SHA-2系列演算法，但其他SHA版本也有各自適用的場景。並非所有SHA證書都能兼容每一類伺服器，因此除了解自身業務場景的需求，掌握所用設備的兼容情況，對搭建安全環境至關重要。

常見伺服器兼容SHA-2數碼證書所需的產品版本如下：

• Apache Server：2.0.63及以上版本
• IBM HTTP Server：8.5（隨Domino 9捆綁提供）
• Java 架構產品：Java 1.4.2 或以上版本
• Mozilla：採用 NSS 的產品 3.8 或以上版本
• Oracle WebLogic：10.3.1+

如前文所述，SHA-256 是目前應用最廣泛的 SHA 算法。不過隨着電腦處理能力提升，SHA-256 將會日漸容易受到攻擊，情況與其前代算法類似。緊貼安全哈希算法（Secure Hash Algorithms）的最新發展，是妥善加密數據、避免暴露風險的最佳做法。

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