В качестве примера «плохой» хеш-функции можно привести функцию с M = 1000 {\displaystyle M=1000} , которая десятизначному натуральному числу K {\displaystyle K} сопоставляет три цифры, выбранные из середины двадцатизначного квадрата числа K {\displaystyle K} . Казалось бы, значения «хеш-кодов» должны равномерно распределяться между «000 » и «999 », но для «реальных » данных это справедливо лишь в том случае, если «ключи » не имеют «большого» количества нулей слева или справа .

Рассмотрим несколько простых и надёжных реализаций «хеш-функций».

«Хеш-функции», основанные на делении

1. «Хеш-код» как остаток от деления на число всех возможных «хешей»

Хеш-функция может вычислять «хеш» как остаток от деления входных данных на M {\displaystyle M} :

где M {\displaystyle M} - количество всех возможных «хешей» (выходных данных).

При этом очевидно, что при чётном M {\displaystyle M} значение функции будет чётным при чётном k {\displaystyle k} и нечётным - при нечётном k {\displaystyle k} . Также не следует использовать в качестве M {\displaystyle M} степень основания системы счисления компьютера , так как «хеш-код» будет зависеть только от нескольких цифр числа k {\displaystyle k} , расположенных справа, что приведёт к большому количеству коллизий . На практике обычно выбирают простое M {\displaystyle M} ; в большинстве случаев этот выбор вполне удовлетворителен.

2. «Хеш-код» как набор коэффициентов получаемого полинома

Хеш-функция может выполнять деление входных данных на полином по модулю два. В данном методе M {\displaystyle M} должна являться степенью двойки, а бинарные ключи ( K = k n − 1 k n − 2 . . . k 0 {\displaystyle K=k_{n-1}k_{n-2}...k_{0}} ) представляются в виде полиномов , в качестве «хеш-кода» «берутся» значения коэффициентов полинома , полученного как остаток от деления входных данных K {\displaystyle K} на заранее выбранный полином P {\displaystyle P} степени m {\displaystyle m} :

При правильном выборе P (x) {\displaystyle P(x)} гарантируется отсутствие коллизий между почти одинаковыми ключами .

«Хеш-функции», основанные на умножении

Обозначим символом w {\displaystyle w} количество чисел, представимых машинным словом . Например, для 32-разрядных компьютеров, совместимых с IBM PC , w = 2 32 {\displaystyle w=2^{32}} .

Выберем некую константу A {\displaystyle A} так, чтобы A {\displaystyle A} была взаимно простой с w {\displaystyle w} . Тогда хеш-функция, использующая умножение, может иметь следующий вид:

В этом случае на компьютере с двоичной системой счисления M {\displaystyle M} является степенью двойки, и h (K) {\displaystyle h(K)} будет состоять из старших битов правой половины произведения A ∗ K {\displaystyle A*K} .

Среди преимуществ хеш-функций, основанных на делении и умножении, стоит отметить выгодное использование неслучайности реальных ключей. Например, если ключи представляют собой арифметическую прогрессию (например, последовательность имён «Имя 1», «Имя 2», «Имя 3»), хеш-функция, использующая умножение, отобразит арифметическую прогрессию в приближенно арифметическую прогрессию различных хеш-значений, что уменьшит количество коллизий по сравнению со случайной ситуацией .

Одной из хеш-функций, использующих умножение, является хеш-функция, использующая хеширование Фибоначчи . Хеширование Фибоначчи основано на свойствах золотого сечения . В качестве константы A {\displaystyle A} здесь выбирается целое число, ближайшее к φ − 1 ∗ w {\displaystyle \varphi ^{-1}*w} и взаимно простое с w {\displaystyle w} , где φ {\displaystyle \varphi } - это золотое сечение .

Хеширование строк переменной длины

Вышеизложенные методы применимы и в том случае, если необходимо рассматривать ключи, состоящие из нескольких слов, или ключи переменной длины. Например, можно скомбинировать слова в одно при помощи сложения по модулю w {\displaystyle w} или операции «исключающее или ». Одним из алгоритмов, работающих по такому принципу, является хеш-функция Пирсона.

Универсальное хеширование

Методы борьбы с коллизиями

Коллизией (иногда конфликтом или столкновением) называется случай, при котором одна хеш-функция для разных входных блоков возвращает одинаковые хеш-коды.

Методы борьбы с коллизиями в хеш-таблицах

Большинство первых работ, описывающих хеширование, посвящено методам борьбы с коллизиями в хеш-таблицах. Тогда хеш-функции применялись при поиске текста в файлах большого размера. Существует два основных метода борьбы с коллизиями в хеш-таблицах:

1. метод цепочек (метод прямого связывания);
2. метод открытой адресации.

При использовании метода цепочек в хеш-таблице хранятся пары «связный список ключей» - «хеш-код». Для каждого ключа хеш-функцией вычисляется хеш-код; если хеш-код был получен ранее (для другого ключа), ключ добавляется в существующий список ключей, парный хеш-коду; иначе, создаётся новая пара «список ключей» - «хеш-код», и ключ добавляется в созданный список. В общем случае, если имеется N {\displaystyle N} ключей и M {\displaystyle M} списков, средний размер хеш-таблицы составит N M {\displaystyle {\frac {N}{M}}} . В этом случае при поиске по таблице по сравнению со случаем, в котором поиск выполняется последовательно, средний объём работ уменьшится примерно в M {\displaystyle M} раз.

При использовании метода открытой адресации в хеш-таблице хранятся пары «ключ» - «хеш-код». Для каждого ключа хеш-функцией вычисляется хеш-код; пара «ключ» - «хеш-код» сохраняется в таблице. В этом случае при поиске по таблице по сравнению со случаем, в котором используются связные списки, ссылки не используются, выполняется последовательный перебор пар «ключ» - «хеш-код», перебор прекращается после обнаружения нужного ключа. Последовательность, в которой просматриваются ячейки таблицы, называется последовательностью проб .

Криптографическая соль

Применение хеш-функций

Хеш-функции широко используются в криптографии, а также во многих структурах данных - хеш-таблицаx , фильтрах Блума и декартовых деревьях .

Криптографические хеш-функции

Среди множества существующих хеш-функций принято выделять

Процесс поиска данных в больших объемах информации сопряжен с временными затратами, которые обусловлены необходимостью просмотра и сравнения с ключом поиска значительного числа элементов. Сокращение поиска возможно осуществить путем локализации области просмотра. Например, отсортировать данные по ключу поиска, разбить на непересекающиеся блоки по некоторому групповому признаку или поставить в соответствие реальным данным некий код, который упростит процедуру поиска.

В настоящее время используется широко распространенный метод обеспечения быстрого доступа к информации, хранящейся во внешней памяти – хеширование .

Хеширование (или хэширование , англ. hashing ) – это преобразование входного массива данных определенного типа и произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свертки , а их результаты называют хешем, хеш-кодом, хеш-таблицей или дайджестом сообщения (англ. message digest ).

Хеш-таблица – это структура данных , реализующая интерфейс ассоциативного массива, то есть она позволяет хранить пары вида " ключ - значение " и выполнять три операции : операцию добавления новой пары, операцию поиска и операцию удаления пары по ключу. Хеш-таблица является массивом, формируемым в определенном порядке хеш-функцией .

• функция должна быть простой с вычислительной точки зрения;
• функция должна распределять ключи в хеш-таблице наиболее равномерно;
• функция не должна отображать какую-либо связь между значениями ключей в связь между значениями адресов;
• функция должна минимизировать число коллизий – то есть ситуаций, когда разным ключам соответствует одно значение хеш-функции (ключи в этом случае называются синонимами ).

При этом первое свойство хорошей хеш-функции зависит от характеристик компьютера, а второе – от значений данных.

Если бы все данные были случайными, то хеш-функции были бы очень простые (например, несколько битов ключа). Однако на практике случайные данные встречаются достаточно редко, и приходится создавать функцию, которая зависела бы от всего ключа. Если хеш-функция распределяет совокупность возможных ключей равномерно по множеству индексов, то хеширование эффективно разбивает множество ключей. Наихудший случай – когда все ключи хешируются в один индекс .

При возникновении коллизий необходимо найти новое место для хранения ключей, претендующих на одну и ту же ячейку хеш-таблицы. Причем, если коллизии допускаются, то их количество необходимо минимизировать. В некоторых специальных случаях удается избежать коллизий вообще. Например, если все ключи элементов известны заранее (или очень редко меняются), то для них можно найти некоторую инъективную хеш-функцию, которая распределит их по ячейкам хеш-таблицы без коллизий . Хеш-таблицы, использующие подобные хеш-функции , не нуждаются в механизме разрешения коллизий , и называются хеш-таблицами с прямой адресацией .

Хеш-таблицы должны соответствовать следующим свойствам .

• Выполнение операции в хеш-таблице начинается с вычисления хеш-функции от ключа. Получающееся хеш-значение является индексом в исходном массиве.
• Количество хранимых элементов массива, деленное на число возможных значений хеш-функции , называется коэффициентом заполнения хеш-таблицы (load factor ) и является важным параметром, от которого зависит среднее время выполнения операций.
• Операции поиска, вставки и удаления должны выполняться в среднем за время O(1) . Однако при такой оценке не учитываются возможные аппаратные затраты на перестройку индекса хеш-таблицы, связанную с увеличением значения размера массива и добавлением в хеш-таблицу новой пары.
• Механизм разрешения коллизий является важной составляющей любой хеш-таблицы.

Хеширование полезно, когда широкий диапазон возможных значений должен быть сохранен в малом объеме памяти, и нужен способ быстрого, практически произвольного доступа. Хэш-таблицы часто применяются в базах данных, и, особенно, в языковых процессорах типа компиляторов и ассемблеров , где они повышают скорость обработки таблицы идентификаторов. В качестве использования хеширования в повседневной жизни можно привести примеры распределение книг в библиотеке по тематическим каталогам, упорядочивание в словарях по первым буквам слов, шифрование специальностей в вузах и т.д.

Методы разрешения коллизий

Коллизии осложняют использование хеш-таблиц, так как нарушают однозначность соответствия между хеш-кодами и данными. Тем не менее, существуют способы преодоления возникающих сложностей:

• метод цепочек (внешнее или открытое хеширование );
• метод открытой адресации (закрытое хеширование ).

Метод цепочек . Технология сцепления элементов состоит в том, что элементы множества , которым соответствует одно и то же хеш- значение , связываются в цепочку- список . В позиции номер i хранится указатель на голову списка тех элементов, у которых хеш- значение ключа равно i ; если таких элементов в множестве нет, в позиции i записан NULL . На рис. 38.1 демонстрируется реализация метода цепочек при разрешении коллизий . На ключ 002 претендуют два значения, которые организуются в линейный список .

Рис. 38.1.

Каждая ячейка массива является указателем на связный список (цепочку) пар ключ - значение , соответствующих одному и тому же хеш-значению ключа. Коллизии просто приводят к тому, что появляются цепочки длиной более одного элемента.

Операции поиска или удаления данных требуют просмотра всех элементов соответствующей ему цепочки, чтобы найти в ней элемент с заданным ключом. Для добавления данных нужно добавить элемент в конец или начало соответствующего списка, и, в случае если коэффициент заполнения станет слишком велик, увеличить размер массива и перестроить таблицу.

При предположении, что каждый элемент может попасть в любую позицию таблицы с равной вероятностью и независимо от того, куда попал любой другой элемент,

Хэш-таблицы

Хэш-таблица (перемешанная таблица, таблица с вычисляемыми адресами) – это динамическое множество, поддерживающее операции добавления, поиска и удаления элемента и использующее специальные методы адресации .

Основное отличие таблиц от других динамических множеств – вычисление адреса элемента по значению ключа.

Идея хэш-реализации состоит в том, что работа с одним большим массивом сводится к работе с некоторым количеством небольших множеств.

Например, записная книжка. Страницы книжки помечены буквами. Страница, помеченная некоторой буквой, содержит фамилии, начинающиеся с этой буквы. Большое множество фамилий разбито на 28 подмножеств. При поиске книжка сразу открывается на нужной букве и поиск ускоряется.

В программировании хэш-таблица - это структура данных, которая хранит пары (ключ или индекс + значение) и с которой выполняются три операции: добавление новой пары, поиск и удаление пары по ключу.

Поиск в хэш-таблицах осуществляется в два этапа:

первый шаг – вычисление хэш-функции, которая преобразует ключ поиска в табличный адрес :

второй шаг – процесс разрешения конфликтов при обработке таких ключей.

Если разным значениям ключей таблицы хэш-функция генерирует одинаковые адреса, то говорят, что возникает коллизия (конфликт, столкновение).

Хэш-функции

Основное назначение хэш-функции - поставить в соответствие различным ключам по возможности разные не отрицательные целые числа.

Хэш-функция тем лучше , чем меньше одинаковых значений она генерирует.

Хэш-функцию надо подобрать таким образом, чтобы выполнялись следующие свойства:

хэш-функция определена на элементах множества и принимает целые неотрицательные значения;

хэш-функцию легко вычислить ;

хэш-функция может принимать различные значения приблизительно с равной вероятностью (минимизация коллизий);

на близких значениях аргумента хэш-функция принимает далекие друг от друга значения.

Чтобы построить хорошую хэш-функцию надо знать распределение ключей. Если распределение ключей известно, то в идеальном случае, случае плотность распределения ключей и плотность распределения значений хэш-функции должны быть идентичны.

Пусть p ( key ) - плотность распределения запросов ключей. Тогда в идеальном случае плотность распределения запросов входов таблицыg ( H ( key )) д. быть такой, чтобы в среднем число элементов, кот. надо пройти в цепочках близнецов, было минимальным.

Пример .

Пусть имеется множество ключей

{0, 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15, 20, 30, 40}

и пусть таблица допускает 4 входа.

Можно построить хэш-функцию:

h (key ) = key % 4 .

Тогда получатся следующие адреса для входов

{0, 1, 2, 3} таблицы:

3·0,5+1,5·0,25+0,5·0,08+1·0,17 ≈ 2,1 элемента списка.

Пример с другой хэш-функцией.

В среднем потребуется пройти 4·1,5·0,25 = 1,5 элемента списка.

Если это информационно-поисковая система, то повысится ее производительность при поиске примерно на 25%.

Методы построения хэш-функций

Модульное хэширование

Простой, эффективный и часто используемый метод хэширования.

Размер таблицы выбирается в виде простого числа m и вычисляется хэш-функция как остаток от деления :

h (key ) = key % m

key – целое числовое значение ключа,

m - число хэш-значений (входов хэш-таблицы).

Такая функция называется модульной и изменяется от 0 до (m - 1 ).

Модульная хэш-функция на языке С++:

typedef int HashIndexType ;

HashIndexType Hash (int Key )

{ return Key % m ; }

Пример

key = {1, 3, 56, 4, 32, 40, 23, 7, 41,13, 6,7}

Пусть m = 5

h (key ) = {1, 3, 1, 4, 2, 0, 3, 2, 1, 3, 1, 2}

Важен выбор m .Чтобы получить случайное распределение ключей надо брать простое число.

Мультипликативный метод

Хэш-функция:

h(key) =

0 < A < 1 – константа.

12 mod 5 = 2 (остаток от деления 12 на 5).

5,04 mod1 = 0,04 (выделяется дробная часть)

Пример

key = 123456

m = 10000

A = 0,6180339887499 = 0,618…

h (key ) = =

Аддитивный метод

Используется для строк переменной длины (размер таблицы m равен 256).

{ HashIndexType h = 0;

while (*str)

h += (*str)++;

return h ;

Недостаток аддитивного метода: не различаются схожие слова и анаграммы, т.е. h (XY ) = h (YX )

Аддитивный метод , в котором ключом является символьная строка. В хеш-функции строка преобразуется в целое суммированием всех символов и возвращается остаток от деления на m (обычно размер таблицы m = 256).int h(char *key, int m) {int s = 0;while(*key)s += *key++;return s % m;}Коллизии возникают в строках, состоящих из одинакового набора символов, например, abc и cab .Данный метод можно несколько модифицировать, получая результат, суммируя только первый и последний символы строки-ключа.int h(char *key, int m) {int len = strlen(key), s = 0;if(len < 2) // Если длина ключа равна 0 или 1,s = key; // возвратить keyelse s = key + key;return s % m;}В этом случае коллизии будут возникать только в строках, например, abc и amc .

хеш-функция принимает ключ и вычисляет по нему адрес в таблице (адресом может быть индекс в массиве, к которому прикреплены цепочки), то есть она, например, из строки "abcd" может получить число 3, а из строки "efgh" может получить число 7 а потом первая структура цепочки берётся через hash, или через hash дальше идёт поиск по цепочке, пока в цепочке структур из hash не будет найдено "abcd", или в цепочке структур из hash не будет найдено "efgh" когда структура с "abcd" найдена, берутся и возвращаются остальные её данные, или она вообще вся возвращается (адрес её), чтобы можно было остальные данные из неё взять а цепочка структур создаётся потому, что многие разные ключи, имеют один и тот же адрес в таблице, то есть, например, хеш-функция для "abcd" может выдать 3 и для "zxf9" тоже может выдать 3, таким образом они сцепляются в цепочку, которая повисает на третьем индексе массива......

В массиве H хранятся сами пары ключ-значение. Алгоритм вставки элемента проверяет ячейки массива H в некотором порядке до тех пор, пока не будет найдена первая свободная ячейка, в которую и будет записан новый элемент.

Алгоритм поиска просматривает ячейки хеш-таблицы в том же самом порядке, что и при вставке, до тех пор, пока не найдется либо элемент с искомым ключом, либо свободная ячейка (что означает отсутствие элемента в хеш-таблице).

Исключающее ИЛИ

Используется для строк переменной длины. Метод аналогичен аддитивному, но различает схожие слова. Заключается в том, что к элементам строки последовательно применяется операция «исключающее ИЛИ»

typedef unsigned char HashIndexType;

unsigned char Rand8;

HashIndexType Hash(char *str)

{ unsigned char h = 0;

while (*str) h = Rand8;

return h ; }

Здесь Rand 8 – таблица из 256 восьмибитовых случайных чисел.

размер таблицы <= 65536

typedef unsigned short int HashIndexType;

unsigned char Rand8;

HashIndexType Hash(char *str)

{ HashIndexType h; unsigned char h1, h2;

if (*str == 0) return 0;

h1 = *str; h2 = *str + 1; str++;

while (*str)

{ h1 = Rand8; h2 = Rand8;

str++; }

h = ((HashIndexType)h1 << 8) | (HashIndexType)h2;

return h % HashTableSize }

Универсальное хэширование

Подразумевает случайный выбор хэш-функции из некоторого множества во время выполнения программы.

Если в мультипликативном методе использовать в качестве А последовательность случайных значений вместо фиксированного числа, то получится универсальная хэш-функция.

Однако время на генерирование случайных чисел будет слишком большим .

Можно использовать псевдослучайные числа.

// генератор псевдослучайных чисел

typedef int HashIndexType;

HashIndexType Hash(char *v, int m)

{ int h, a = 31415, b = 27183;

for(h = 0; *v != 0 ; v++, a = a*b % (m - l))

h = (a*h + *v) % m;

return (h < 0) ? (h + m) : h;

(иногда хэширование, англ. hashing) - преобразование входного массива данных произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свёртки, а их результаты называют хешем, хеш-кодом или дайджестом сообщения (англ. message digest).

Хеширование применяется для сравнения данных: если у двух массивов хеш-коды разные, массивы гарантированно различаются; если одинаковые - массивы, скорее всего, одинаковы. В общем случае однозначного соответствия между исходными данными и хеш-кодом нет в силу того, что количество значений хеш-функций меньше чем вариантов входного массива; существует множество массивов, дающих одинаковые хеш-коды - так называемые коллизии. Вероятность возникновения коллизий играет немаловажную роль в оценке качества хеш-функций.

Существует множество алгоритмов хеширования с различными характеристиками (разрядность, вычислительная сложность, криптостойкость и т. п.). Выбор той или иной хеш-функции определяется спецификой решаемой задачи. Простейшими примерами хеш-функций могут служить контрольная сумма или CRC.

Контрольные суммы

По скорости вычисления в десятки и сотни раз быстрее, чем криптографические хеш-функции, и значительно проще в аппаратной реализации.

Платой за столь высокую скорость является отсутствие криптостойкости - лёгкая возможность подогнать сообщение под заранее известную сумму. Также обычно разрядность контрольных сумм (типичное число: 32 бита) ниже, чем криптографических хешей (типичные числа: 128, 160 и 256 бит), что означает возможность возникновения непреднамеренных коллизий. Простейшим случаем такого алгоритма является деление сообщения на 32- или 16- битные слова и их суммирование, что применяется, например, в TCP/IP.

Как правило, к такому алгоритму предъявляются требования отслеживания типичных аппаратных ошибок, таких, как несколько подряд идущих ошибочных бит до заданной длины. Семейство алгоритмов т. н. «циклических избыточных кодов» удовлетворяет этим требованиям. К ним относится, например, CRC32, применяемый в аппаратуре Ethernet и в формате упакованных файлов ZIP.

Криптографические хеш-функции

• Необратимость: для заданного значения хеш-функции m должно быть вычислительно неосуществимо найти блок данных X , для которого H(X) = m .


• Стойкость к коллизиям первого рода: для заданного сообщения M должно быть вычислительно неосуществимо подобрать другое сообщение N , для которого H(N) = H(M) .


• Стойкость к коллизиям второго рода: должно быть вычислительно неосуществимо подобрать пару сообщений (M, M") , имеющих одинаковый хеш.

• Обратимая функция нестойка к коллизиям первого и второго рода.


• Функция, нестойкая к коллизиям первого рода, нестойка к коллизиям второго рода; обратное неверно.

Атака «дней рождения» позволяет находить коллизии для хеш-функции с длиной значений n битов в среднем за примерно 2 n/2 вычислений хеш-функции. Поэтому n -битная хеш-функция считается криптостойкой, если вычислительная сложность нахождения коллизий для неё близка к 2 n/2 .

Для криптографических хеш-функций также важно, чтобы при малейшем изменении аргумента значение функции сильно изменялось (лавинный эффект). В частности, значение хеша не должно давать утечки информации даже об отдельных битах аргумента. Это требование является залогом криптостойкости алгоритмов хеширования, хеширующих пользовательский пароль для получения ключа

Применение хеш-функций

• хорошая перемешиваемость данных
• быстрый алгоритм вычисления

1. Проверка на наличие ошибок - Например, контрольная сумма может быть передана по каналу связи вместе с основным текстом. На приёмном конце, контрольная сумма может быть рассчитана заново и её можно сравнить с переданным значением. Если будет обнаружено расхождение, то это значит, что при передаче возникли искажения и можно запросить повтор.

   Бытовым аналогом хеширования в данном случае может служить приём, когда при переездах в памяти держат количество мест багажа. Тогда для проверки не нужно вспоминать про каждый чемодан, а достаточно их посчитать. Совпадение будет означать, что ни один чемодан не потерян. То есть, количество мест багажа является его хеш-кодом. Данный метод легко дополнить до защиты от фальсификации передаваемой информации (метод MAC). В этом случае хеширование производится криптостойкой функцией над сообщением, объединенным с секретным ключом, известным только отправителю и получателю сообщения. Таким образом, криптоаналитик не сможет восстановить код, по перехваченному сообщению и значению хеш-функции, то есть, не сможет подделать сообщение.



2. Ускорение поиска данных - Например, при записи текстовых полей в базе данных может рассчитываться их хеш код и данные могут помещаться в раздел, соответствующий этому хеш-коду. Тогда при поиске данных надо будет сначала вычислить хеш-код текста и сразу станет известно, в каком разделе их надо искать, то есть, искать надо будет не по всей базе, а только по одному её разделу (это сильно ускоряет поиск).

   Бытовым аналогом хеширования в данном случае может служить помещение слов в словаре по алфавиту. Первая буква слова является его хеш-кодом, и при поиске мы просматриваем не весь словарь, а только нужную букву.

Хеширование

Хеширование (иногда «хэширование» , англ. hashing ) - преобразование по детерменированному алгоритму входного массива данных произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свёртки , а их результаты называют хешем , хеш-кодом или сводкой сообщения (англ. message digest ). Если у двух строк хеш-коды разные, строки гарантированно различаются, если одинаковые - строки, вероятно, совпадают.

Хеширование применяется для построения ассоциативных массивов , поиска дубликатов в сериях наборов данных, построения достаточно уникальных идентификаторов для наборов данных, контрольное суммирование с целью обнаружения случайных или намеренных ошибок при хранении или передаче, для хранения паролей в системах защиты (в этом случае доступ к области памяти, где находятся пароли, не позволяет восстановить сам пароль), при выработке электронной подписи (на практике часто подписывается не само сообщение, а его хеш-образ).

В общем случае однозначного соответствия между исходными данными и хеш-кодом нет в силу того, что количество значений хеш-функций меньше , чем вариантов входного массива; существует множество массивов с разным содержимым, но дающих одинаковые хеш-коды - так называемые коллизии . Вероятность возникновения коллизий играет немаловажную роль в оценке качества хеш-функций.

Существует множество алгоритмов хеширования с различными свойствами (разрядность , вычислительная сложность , криптостойкость и т. п.). Выбор той или иной хеш-функции определяется спецификой решаемой задачи. Простейшими примерами хеш-функций могут служить контрольная сумма или CRC .

История

Первой серьёзной работой, связанной с поиском в больших файлах, была статья Уэсли Питерсона (англ. W. Wesley Peterson ) в IBM Journal of Research and Development 1957 года, в которой он определил открытую адресацию, а также указал на ухудшение производительности при удалении. Спустя шесть лет был опубликована работа Вернера Бухгольца (нем. Werner Buchholz ), в которой проведено обширное исследование хеш-функций. В течение нескольких последующих лет хеширование широко использовалось, однако не было опубликовано никаких значимых работ.

В 1967 году хеширование в современном значении упомянуто в книге Херберта Хеллермана «Принципы цифровых вычислительных систем» . В 1968 году Роберт Моррис (англ. Robert Morris ) опубликовал в Communications of the ACM большой обзор по хешированию, эта работа считается ключевой публикацией, вводящей понятие о хешировании в научный оборот и закрепившей ранее применявшийся только в жаргоне специалистов термин «хеш».

До начала 1990-х годов в русскоязычной литературе в качестве эквивалента термину «хеширование» благодаря работам Андрея Ершова использовалось слово «расстановка» , а для коллизий использовался термин "конфликт" (Ершов использовал «расстановку» с 1956 года, в русскоязычном издании книги Вирта «Алгоритмы и структуры данных» 1989 года также используется термин «расстановка»). Предлагалось также назвать метод русским словом «окрошка» . Однако ни один из этих вариантов не прижился, и в русскоязычной литературе используется преимущественно термин «хеширование».

Виды хеш-функций

Хорошая хеш-функция должна удовлетворять двум свойствам:

1. Быстро вычисляться;
2. Минимизировать количество коллизий

Предположим, для определённости, что количество ключей , а хеш-функция имеет не более различных значений:

В качестве примера «плохой» хеш-функции можно привести функцию с , которая десятизначному натуральном числу сопоставляет три цифры выбранные из середины двадцатизначного квадрата числа . Казалось бы значения хеш-кодов должны равномерно распределиться между «000» и «999», но для реальных данных такой метод подходит лишь в том случае, если ключи не имеют большого количества нулей слева или справа.

Однако существует несколько более простых и надежных методов, на которых базируются многие хеш-функции.

Хеш-функции основанные на делении

Первый метод заключается в том, что мы используем в качестве хеша остаток от деления на , где это количество всех возможных хешей:

При этом очевидно, что при чётном значение функции будет чётным, при чётном , и нечётным - при нечётном, что может привести к значительному смещению данных в файлах. Также не следует использовать в качестве степень основания счисления компьютера, так как хеш-код будет зависеть только от нескольких цифр числа , расположенных справа, что приведет к большому количеству коллизий. На практике обычно выбирают простое - в большинстве случаев этот выбор вполне удовлетворителен.

Ещё следует сказать о методе хеширования, основанном на делении на полином по модулю два. В данном методе также должна являться степенью двойки, а бинарные ключи () представляются в виде полиномов. В этом случае в качестве хеш-кода берутся значения коэффциентов полинома, полученного как остаток от деления на заранее выбранный полином степени :

При правильном выборе такой способ гарантирует отсутствие коллизий между почти одинаковыми ключами.

Мультипликативная схема хеширования

Второй метод состоит в выборе некоторой целой константы , взаимно простой с , где - количество представимых машинным словом значений (в компьютерах IBM PC ). Тогда можем взять хеш-функцию вида:

В этом случае, на компьютере с двоичной системой счисления, является степенью двойки и будет состоять из старших битов правой половины произведения .

Среди преимуществ этих двух методов стоит отметь, что они выгодно используют то, что реальные ключи неслучайны, например в том случае если ключи представляют собой арифметическую прогрессию (допустим последовательность имён «ИМЯ1», «ИМЯ2», «ИМЯ3»). Мультипликативный метод отобразит арифметическую прогрессию в приближенно арифметическую прогрессию различных хеш-значений, что уменьшает количество коллизий по сравнению со случайной ситуацией.

Одной из вариаций данного метода является хеширование Фибоначчи , основанное на свойствах золотого сечения . В качестве здесь выбирается ближайшее к целое число, взаимно простое с

Хеширование строк переменной длины

Вышеизложенные методы применимы и в том случае, если нам необходимо рассматривать ключи, состоящие из нескольких слов или ключи переменной длины. Например можно скомбинировать слова в одно при помощи сложения по модулю или операции «исключающее или». Одним из алгоритмов, работающих по такому принципу является хеш-функция Пирсона.

Универсальное хеширование

Универсальным хешированием (англ. Universal hashing ) называется хеширование, при котором используется не одна конкретная хеш-функция, а происходит выбор из заданного семейства по случайному алгоритму . Использование универсального хеширования обычно обеспечивает низкое число коллизий. Универсальное хеширование имеет множество применений, например, в реализации хеш-таблиц и криптографии.

Описание

Предположим, что мы хотим отобразить ключи из пространства в числа . На входе алгоритм получает некоторый набор данных и размерностью , причем неизвестный заранее. Как правило целью хеширования является получение наименьшего числа коллизий , чего трудно добиться используя какую-то определенную хеш-функцию.

В качестве решения такой проблемы можно выбирать функцию случайным образом из определенного набора, называемого универсальным семейством .

Методы борьбы с коллизиями

Как уже говорилось выше, коллизией (иногда конфликтом или столкновением) хеш-функции называются такие два входных блока данных, которые дают одинаковые хеш-коды.

В хеш-таблицах

Большинство первых работ описывающих хеширование было посвящено методам борьбы с коллизиями в хеш-таблицах, так как хеш-функции применялись для поиска в больших файлах. Существует два основных метода используемых в хеш-таблицах:

1. Метод цепочек(метод прямого связывания)
2. Метод открытой адресации

Первый метод заключается в поддержке связных списков , по одному на каждое значение хеш-функции. В списке хранятся ключи, дающие одинаковое значение хеш-кодов. В общем случае, если мы имеем ключей и списков, средний размер списка будет и хеширование приведет к уменьшению среднего количества работы по сравнению с последовательным поиском примерно в раз.

Второй метод состоит в том, что в массиве таблицы хранятся пары ключ-значение. Таким образом мы полностью отказываемся от ссылок и просто просматриваем записи таблицы, пока не найдем нужный ключ или пустую позицию. Последовательность, в которой просматриваются ячейки таблицы называется последовательностью проб.

Криптографическая соль

Существует несколько способов для защиты от подделки паролей и подписей , работающих даже в том случае, если криптоаналитику известны способы построения коллизий для используемой хеш-функции. Одним из таких методов является добавление криптографической соли (строки случайных данных) к входным данным (иногда «соль» добавляется и к хеш-коду), что значительно затрудняет анализ итоговых хеш-таблиц. Данный метод, к примеру, используется для хранения паролей в UNIX-подобных операционных системах .

Применение хеш-функций

Криптографические хеш-функции

Среди множества существующих хеш-функций принято выделять криптографически стойкие , применяемые в криптографии , так как на них накладываются дополнительные требования. Для того чтобы хеш-функция считалась криптографически стойкой, она должна удовлетворять трем основным требованиям, на которых основано большинство применений хеш-функций в криптографии:

Данные требования не являются независимыми:

• Обратимая функция нестойка к коллизиям первого и второго рода.
• Функция, нестойкая к коллизиям первого рода, нестойка к коллизиям второго рода; обратное неверно.

Следует отметить, что не доказано существование необратимых хеш-функций, для которых вычисление какого-либо прообраза заданного значения хеш-функции теоретически невозможно. Обычно нахождение обратного значения является лишь вычислительно сложной задачей.

Хеширование часто используется в алгоритмах электронно-цифровой подписи, где шифруется не само сообщение, а его хеш-код, что уменьшает время вычисления, а также повышает криптостойкость. Также в большинстве случаев, вместо паролей хранятся значения их хеш-кодов.

Контрольные суммы

Несложные, крайне быстрые и легко осуществимые аппаратные алгоритмы, используемые для защиты от непреднамеренных искажений, в том числе ошибок аппаратуры. С точки зрения математики является хеш-функцией, которая вычисляет контрольный код, применяемый для обнаружения ошибок при передаче и хранении информации

По скорости вычисления в десятки и сотни раз быстрее, чем криптографические хеш-функции, и значительно проще в аппаратном исполнении.

Платой за столь высокую скорость является отсутствие криптостойкости - лёгкая возможность подогнать сообщение под заранее известную сумму. Также обычно разрядность контрольных сумм (типичное число: 32 бита) ниже, чем криптографических хешей (типичные числа: 128, 160 и 256 бит), что означает возможность возникновения непреднамеренных коллизий.

Простейшим случаем такого алгоритма является деление сообщения на 32- или 16- битные слова и их суммирование, что применяется, например, в TCP/IP .

Как правило, к такому алгоритму предъявляются требования отслеживания типичных аппаратных ошибок, таких, как несколько подряд идущих ошибочных бит до заданной длины. Семейство алгоритмов т. н. «циклических избыточных кодов » удовлетворяет этим требованиям. К ним относится, например, CRC32 , применяемый в устройствах Ethernet и в формате сжатия данных ZIP .

Контрольная сумма, например, может быть передана по каналу связи вместе с основным текстом. На приёмном конце, контрольная сумма может быть рассчитана заново и её можно сравнить с переданным значением. Если будет обнаружено расхождение, то это значит, что при передаче возникли искажения и можно запросить повтор.

Бытовым аналогом хеширования в данном случае может служить приём, когда при переездах в памяти держат количество мест багажа. Тогда для проверки не нужно вспоминать про каждый чемодан, а достаточно их посчитать. Совпадение будет означать, что ни один чемодан не потерян. То есть, количество мест багажа является его хеш-кодом. Данный метод легко дополнить до защиты от фальсификации передаваемой информации (метод MAC). В этом случае хеширование производится криптостойкой функцией над сообщением, объединенным с секретным ключом, известным только отправителю и получателю сообщения. Таким образом, криптоаналитик не сможет восстановить код по перехваченному сообщению и значению хеш-функции, то есть, не сможет подделать сообщение (См. имитозащита).

Геометрическое хеширование

Геометрическое хеширование (англ. Geometric hashing ) – широко применяемый в компьтерной графике и вычислительной геометрии метод для решения задач на плоскости или в трёхмерном пространстве, например для нахождения ближайших пар в множестве точек или для поиска одинаковых изображений. Хеш-функция в данном методе обычно получает на вход какое-либо метрическое пространство и разделяет его, создавая сетку из клеток. Таблица в данном случае является массивом с двумя или более индексами и называется файл сетки(англ. Grid file ). Геометрическое хеширование также применяется в телекоммуникациях при работе с многомерными сигналами.

Ускорение поиска данных

Хеш-таблицей называется структура данных, позволяющая хранить пары вида (ключ,хеш-код) и поддерживающая операции поиска, вставки и удаления элемента. Задачей хеш-таблиц является ускорение поиска, например, при записи текстовых полей в базе данных может рассчитываться их хеш код и данные могут помещаться в раздел, соответствующий этому хеш-коду. Тогда при поиске данных надо будет сначала вычислить хеш-код текста и сразу станет известно, в каком разделе их надо искать, то есть, искать надо будет не по всей базе, а только по одному её разделу (это сильно ускоряет поиск).

Бытовым аналогом хеширования в данном случае может служить помещение слов в словаре по алфавиту. Первая буква слова является его хеш-кодом, и при поиске мы просматриваем не весь словарь, а только нужную букву.

Примечания

Литература

• Брюс Шнайер "Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си". - М .: Триумф, 2002. -