Was ist ein Hash?

Im Kontext von Informatik und Programmierung ist ein Hash (auch als Hash-Code, Hash-Wert oder Message Digest bekannt) eine numerische Repräsentation mit fester Größe einer Eingabedaten von willkürlicher Größe. Betrachten Sie es als einen Fingerabdruck für ein Datenstück.

Der Prozess der Erzeugung eines Hash wird Hashing bezeichnet und es wird durch eine Hash -Funktion durchgeführt .

Schlüsselmerkmale von Hash -Funktionen:

* deterministisch: Bei den gleichen Eingabedaten erzeugt die Hash -Funktion immer den gleichen Hash -Wert.

* Einweg (idealerweise): Es sollte rechnerisch nicht realisierbar sein, um die Hash -Funktion umzukehren, um die ursprüngliche Eingabe aus seinem Hash -Wert zu bestimmen. (Dies ist wichtiger für kryptografische Hash -Funktionen.)

* Ausgangsgrößenausgabe fest: Unabhängig von der Größe der Eingangsdaten erzeugt die Hash -Funktion einen Hash -Wert einer spezifischen, vorgegebenen Größe (z. B. 32 Bit, 64 Bit, 256 Bit).

* Kollisionswiderstand (idealerweise): Eine gute Hash -Funktion sollte die Wahrscheinlichkeit verschiedener Eingaben minimieren, die denselben Hash -Wert erzeugen (eine "Kollision"). Während Kollisionen unvermeidlich sind, sollten sie selten sein.

Analogie:

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Dokument (die Eingabedaten). Eine Hash-Funktion ist wie eine Maschine, die dieses Dokument in eine kurze Zusammenfassung mit fester Länge (den Hash-Wert) zusammenfasst. Die Zusammenfassung sollte sein:

* konsistent: Das gleiche Dokument erzeugt immer die gleiche Zusammenfassung.

* Einzigartig (so viel wie möglich): Verschiedene Dokumente sollten idealerweise unterschiedliche Zusammenfassungen erstellen.

* irreversibel (idealerweise): Sie können das Originaldokument nicht nur aus seiner Zusammenfassung neu erstellen.

Wie werden Hashes in der Programmierung

Hashes haben zahlreiche Anwendungen in der Programmier- und Datenstrukturen:

1. Datenstrukturen (Hash -Tabellen/Hash -Karten):

* Dies ist die häufigste Verwendung. Hash -Tabellen werden zum effizienten Speicher und Abrufen von Daten anhand von Tasten verwendet.

* Wie es funktioniert: Eine Hash -Funktion wandelt den Schlüssel in einen Index (Hash -Wert) in einem Array um. Der mit dem Schlüssel zugeordnete Wert wird in diesem Index gespeichert.

* Vorteile: Bietet sehr schnelle Durchschnitts-Case-Lookup (O (1) -Komplexität), da der Index direkt aus dem Schlüssel berechnet wird.

* Beispiel: Wörterbücher in Python, Karten in Java, Objekte als assoziative Arrays in JavaScript.

`` `Python

Python Dictionary (A Hash -Tabellen -Implementierung)

my_dict ={"Apple":1, "Banane":2, "Orange":3}

print (my_dict ["Apple"]) # Zugriff auf den Wert mit dem Schlüssel "Apple" - o (1) durchschnittliche Zeit

`` `

2. Datenintegritätsprüfung:

* Hashes kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Daten während der Übertragung oder Speicherung nicht manipuliert wurden.

* Wie es funktioniert: Berechnen Sie den Hash der Daten, bevor Sie sie senden oder speichern. Später berechnen Sie den Hash neu und vergleichen Sie ihn mit dem ursprünglichen Hash -Wert. Wenn die Hashes übereinstimmen, sind die Daten wahrscheinlich unverändert.

* Beispiel: Überprüfungen, Überprüfung der Dateiintegrität in Software -Downloads, Erkennen von beschädigten Daten in Datenbanken.

`` `Python

Hashlib importieren

Data ="Dies sind meine Daten."

Hash_Object =Hashlib.md5 (data.encode ()) #Encode konvertiert die Zeichenfolge in Bytes

md5_hash =hash_object.hexDigest ()

print (f "md5 hash:{md5_hash}")

`` `

3. Passwortspeicher:

* Das Speichern von Passwörtern direkt in einer Datenbank ist ein Sicherheitsrisiko. Hashes werden verwendet, um eine Einweg-Darstellung des Passworts zu speichern.

* Wie es funktioniert: Wenn ein Benutzer ein Konto erstellt, wird das Kennwort gehasht (normalerweise mit einem "Salz" - einer zufälligen Zeichenfolge, die dem Passwort vor Hashing hinzugefügt wurde). Der Hash wird gespeichert, nicht das eigentliche Passwort. Wenn sich der Benutzer anmeldet, ist das eingegebene Passwort ebenfalls gehasht (mit demselben Salz) und der resultierende Hash wird mit dem gespeicherten Hash verglichen.

* Vorteile: Auch wenn die Datenbank beeinträchtigt ist, können Angreifer die Passwörter nicht direkt abrufen.

* Sicherheitsüberlegungen: Moderne Kennworthashing-Algorithmen (wie Bcrypt, Scrypt, Argon2) sind absichtlich langsam und verwenden Salze, um sie gegen Brute-Force-Angriffe und Regenbogentischangriffe resistent zu machen.

`` `Python

Bcrypt importieren

Passwort =B "my_secret_password" # Passwort als Bytes

Erzeugen Sie ein Salz

salt =bcrypt.genalt ()

Hash das Passwort mit dem Salz

Hashed_password =bcrypt.hashpw (Passwort, Salz)

print (f "Hashed -Passwort:{Hashed_password}")

, um das Passwort später zu überprüfen:

Entered_password =B "my_secret_password"

Wenn bcrypt.checkpw (eingegebene_password, Hashed_password):

print ("Passwort übereinstimmt!")

anders:

print ("Passwort stimmt nicht überein.")

`` `

4. Caching:

* Hashes kann verwendet werden, um Cache -Schlüssel zum Speichern der Ergebnisse teurer Berechnungen zu erstellen.

* Wie es funktioniert: Die Eingabeparameter für eine Funktion (oder den Status eines Systems) sind Hashed und der Hash -Wert wird als Schlüssel in einem Cache (wie eine Hash -Tabelle) verwendet. Wenn derselbe Eingang erneut auftritt, kann das zwischengespeicherte Ergebnis direkt abgerufen werden, wodurch eine Neukonzonierung vermieden werden kann.

* Beispiel: Memoisierung, das zwischengespeicherte Caching -Zugriff auf Daten in Webanwendungen.

5. Datendeduplizierung:

* Hashes kann verwendet werden, um doppelte Datenelemente zu identifizieren.

* Wie es funktioniert: Wenn neue Daten gespeichert werden sollen, wird der Hash berechnet. Wenn der Hash bereits in einer Datenbank mit bekannten Hashes existiert, sind die Daten wahrscheinlich ein Duplikat und können übersprungen (oder nur einmal gespeichert).

* Beispiel: Speichersysteme, Dateifreigabedienste.

6. Blühenfilter:

* Probabilistische Datenstrukturen, die Hashing verwenden, um zu testen, ob ein Element ein Mitglied eines Satzes ist. Bloom -Filter können falsch -positives Aspekte haben (sie könnten sagen, dass ein Element im Set ist, wenn dies nicht der Fall ist), aber sie haben nie falsche Negative (sie werden niemals sagen, dass ein Element nicht im Set ist, wenn es ist).

7. Kryptographie:

* Kryptografische Hash-Funktionen (SHA-256, SHA-3 usw.) werden für verschiedene Sicherheitszwecke verwendet, darunter:

* Digitale Signaturen:Erstellen eines Hashs eines Dokuments und dann mit einem privaten Schlüssel verschlüsseln.

* Nachrichtenauthentifizierungscodes (MACs):Erstellen eines Hashs, der von einem geheimen Schlüssel abhängt, der verwendet wird, um sowohl Integrität als auch Authentizität zu überprüfen.

* Kryptowährungen:Hashing ist für die Blockchain -Technologie für die Erstellung von Blöcken und die Überprüfung von Transaktionen von grundlegender Bedeutung.

gemeinsame Hash -Funktionen

Es gibt viele verschiedene Hash -Funktionen. Hier sind einige Beispiele:

* MD5 (Meldung Digest 5): (Veraltet für sicherheitsempfindliche Anwendungen, da es für Kollisionen anfällig ist). Erzeugt einen 128-Bit-Hash.

* SHA-1 (sicherer Hash-Algorithmus 1): (Auch für sicherheitsempfindliche Anwendungen aufgrund von Schwachstellen veraltet). Erzeugt einen 160-Bit-Hash.

* SHA-2 (sicherer Hash-Algorithmus 2): Eine Familie von Hash-Funktionen, darunter SHA-256 (256-Bit-Hash), SHA-384 (384-Bit-Hash) und SHA-512 (512-Bit-Hash). Im Allgemeinen als sicherer als MD5 und SHA-1.

* SHA-3 (sicherer Hash-Algorithmus 3): Eine andere Familie von Hash -Funktionen, die in einem NIST -Wettbewerb ausgewählt wurden. Bietet ein anderes Design als SHA-2.

* Bcrypt, Scrypt, Argon2: Passwort -Hashing -Algorithmen, die langsam und resistent gegen Angriffe sind. Dies sind keine generischen Hash -Funktionen; Sie sind speziell für den Kennwortspeicher.

* Murmurhash, FNV Hash: Nicht kryptografische Hash-Funktionen, die häufig für Hash-Tabellen-Implementierungen verwendet werden, bei denen Geschwindigkeit wichtig ist.

Wichtige Überlegungen

* Kollisionen: Kollisionen sind unvermeidlich, insbesondere im Umgang mit großen Datensätzen. Gute Hash -Tabellen -Implementierungen haben Kollisionsauflösungsstrategien (z. B. separate Verkettung, offene Adressierung), um Kollisionen effizient zu bewältigen.

* Hash -Funktion Auswahl: Die Wahl der Hash -Funktion hängt von der Anwendung ab. Verwenden Sie für Sicherheitssensitive Anwendungen kryptografische Hash-Funktionen. Wählen Sie für Hash -Tabellen eine Hash -Funktion aus, die Tasten gleichmäßig über die Tabelle verteilt, um Kollisionen zu minimieren.

* Sicherheit: Wenn Sie Hashes für Sicherheit (Kennwortspeicher, Datenintegrität) verwenden, verwenden Sie starke, moderne kryptografische Hash-Funktionen (Bcrypt, Argon2, SHA-256, SHA-3) und richtige Salztechniken. Vermeiden Sie es, MD5 oder SHA-1 für die Sicherheit zu verwenden.

* Leistung: Hash -Funktionen variieren in ihrer Leistung. Profilieren Sie Ihren Code, um festzustellen, ob der Hashing -Prozess ein Engpass ist, und wählen Sie eine geeignete Hash -Funktion für Ihre Anforderungen.

Zusammenfassend ist ein Hash ein wertvolles Instrument in der Programmierung, das eine Möglichkeit bietet, Daten in einem kompakten Format mit fester Größe für effiziente Datenstrukturen, Integritätsprüfungen, Sicherheit und verschiedene andere Anwendungen darzustellen. Die Auswahl der richtigen Hash -Funktion und der effektiven Handhabung von Kollisionen ist wichtig, um eine optimale Leistung und Sicherheit zu erzielen.