3.2 美国国家安全局设计的密码武器——SHA256算法
在计算机技术中，存在很多种类的哈希算法，比如美国国家安全局提出的SHA系列算法、报文摘要算法、Ethash算法、RIPEMD160算法等，又比如我国提出的SM3算法等，如图3.4所示。比特币系统中使用了SHA256算法，它的全称是安全哈希算法（Secure Hash Algorithm），它是SHA系列算法中的一个，其他的还有SHA1、SHA224、SHA384和SHA512等。
图3.4│各类哈希算法示意图
SHA256算法有哪些优点呢？可以总结如下。
（1）从密文很难反推出明文。使用了SHA256算法后，即使你知道算法的步骤，也看到了最终的加密计算结果，仍然很难知道原来的内容是什么。虽然不能完全否定反推的可能，但是至少根据目前人类所掌握的计算资源和算法，是不能反推明文的。
（2）SHA256算法抵抗“哈希碰撞”的能力很强，也就是说，想要找到两组不同的明文信息对应同样的密文，从计算理论上来说是非常困难的。在SHA256算法中，明文信息只要发生一点细微的变动，哪怕只是改变了一个字或一个标点，都会使最终的密文（哈希值）产生非常大的变化。因此，一段明文总是和它的哈希值一一对应，就像每个人都有不同的指纹，人和指纹一一对应。因此，形象地说，一段信息的哈希值就相当于这段信息的“指纹”。
（3）不论输入的明文信息有多长，最后生成的密文长度总是固定的，且是一个256位的二进制数值。为了使用方便，通常会表示成64位的十六进制数值，例如一个SHA256哈希数值可以是：6D768EEF6ECAD3C29A5A629280E686CF0C3F5D5A86 AFF3CA12020C923ADC6C65。由于有这个优点，有时它会被用来压缩信息以节省存储空间。
因为SHA256算法有这些优点，它在信息科学中得到了非常广泛的应用。下面介绍它在加密信息、检验信息的一致性及压缩数据等多方面的应用。
（1）利用SHA256算法加密。因为SHA256算法是不可逆的，不能从密文反推出明文，所以它经常被用来加密重要信息，例如银行账户的密码。假设小明要开设一个银行账户，他在开户时设置了对应的密码。这个密码会存放在银行的数据库里，当他下一次存取款时，用来和他输入的密码进行比对，以确定身份。但是，如果密码以明文形式存放在数据库里，会带来极大的危险。假如二黑是银行的内部工作人员，他利用职权非法进入了数据库，知道了小明的密码，就可以取走小明的钱了。因此，为保安全，账户密码总是以密文形式存放的。小明设置的账户密码会通过SHA256算法进行加密，变成密文后存放在数据库里。下次他在银行窗口办理业务输入密码时，密码会先通过SHA256算法进行计算，再和数据库里的密文比对，如果一致，说明他的密码是正确的。经过这种加密处理，即使二黑进入了银行的密码数据库，仍然不知道小明的密码，如图3.5所示。
图3.5│哈希算法用于加密存储
（2）检验信息的一致性。假设小明要在网上发情书给他的女朋友翠花，在网络传输中，有时可能因为数据传输故障导致发送的信息不完整，或者更糟糕的是，被小明的情敌二黑中途截获并恶意篡改，原本写的是“我爱你”，翠花收到的可能是“我恨你”，小明的幸福人生从此变得岌岌可危。所幸小明是天才，他很快想出一个好办法：在发送信息时，先使用SHA256算法对原始信息进行一次计算，得到这段信息的哈希值，然后把原始信息和对应的哈希值一起发送给翠花。翠花收到信息后，也使用SHA256算法对原始信息进行一次计算得到哈希值，然后和小明发送的哈希值进行比对，如果不一致，说明原始信息出现了问题，如图3.6所示。从此，小明的妈妈再也不担心他找不到女朋友了。
图3.6│哈希算法用于通信校验的过程
（3）压缩数据。翠花长得很漂亮，她很喜欢拍照，几年的时间就拍了几万张照片，小明的计算机已经存不下了，他必须把这些资料放到其他计算机中。但是，他很想在自己的计算机中保存一份完整的档案，以便查找。于是，他使用SHA256算法对每一张照片进行计算，得到它们的哈希值，这些哈希值的数据量远远小于对应照片的数据量。小明把照片的存放位置和照片的哈希值一一对应，编制成了一张表。这样，小明能在自己的计算机里存下这张表，并随时可以根据照片的哈希值在其他计算机上找到这张照片，如图3.7所示。即使年深日久，存储在其他计算机上的照片发生存储错误，或者被人恶意修改了，他也能通过哈希值及时发现。
图3.7│哈希算法用于数据的压缩与存储
SHA256算法是一个强大的加密算法，它在各方面保障了小明的幸福生活。但是二黑也不是吃素的，他很快就发现了一个漏洞。小明在网上给翠花发送情书的时候，二黑截获了情书和对应的哈希值。这次他不但篡改了情书，也使用SHA256算法对篡改后的情书进行计算，从而得到对应的哈希值。现在二黑把这份伪造的情书和对应的哈希值发送给翠花，翠花即使进行校验，也没法发现问题。天才小明这下也傻眼了。那这个问题要怎么解决呢？