Хеширование: что это, хеш-функция и алгоритмы

Хеширование — это одностороннее преобразование данных произвольного объёма в строку фиксированной длины с помощью алгоритма, который называется хеш-функцией. Результат — хеш, или дайджест, — детерминирован, воспроизводим и практически необратим: по хешу нельзя восстановить исходные данные, можно только сверить, совпадают ли они с уже известным значением.

Криптографическая хеш-функция строится на нескольких свойствах, без которых она непригодна для задач безопасности:

• Детерминированность. Один и тот же вход всегда даёт один и тот же хеш — иначе сверка данных по хешу теряет смысл.
• Лавинный эффект. Минимальное изменение входных данных — даже один бит — приводит к полностью другому, непредсказуемо отличающемуся хешу.
• Необратимость (односторонность). По значению хеша вычислительно невозможно восстановить исходные данные — в отличие от шифрования, обратный ход намеренно не предусмотрен.
• Стойкость к коллизиям. Крайне сложно найти два разных набора данных, которые дают одинаковый хеш; для устаревших алгоритмов эта стойкость нарушена на практике.

Три термина часто путают, хотя они решают разные задачи. Шифрование обратимо: зашифрованные данные превращаются обратно в исходные при наличии правильного ключа. Кодирование, например Base64, вообще не про безопасность — это просто способ представить данные в другом формате, и оно тоже обратимо без всякого ключа. Хеширование обратного хода не имеет по конструкции: оно не хранит данные, а лишь формирует их проверяемый отпечаток.

Основные алгоритмы хеширования делятся на устаревшие и криптографически стойкие: MD5 и SHA-1 больше не считаются безопасными из-за продемонстрированных коллизий, современный стандарт — семейство SHA-2 и SHA-3, а для российской криптографии обязателен отечественный ГОСТ Р 34.11-2012 «Стрибог». Выбор конкретного алгоритма зависит от задачи и от того, какая регуляторика на неё распространяется.

↔ таблицу можно прокрутить вбок

Практический вывод: если система попадает под требования ФСБ России к криптографической защите — например, входит в контур СКЗИ определённого класса или формирует электронную подпись по 63-ФЗ на отечественных алгоритмах, — используется ГОСТ Р 34.11-2012, а не SHA-2 или SHA-3. Для остальных задач общего назначения — контроль целостности файлов, TLS-соединения, внутренние системы без такого требования — достаточно SHA-256 или SHA-3.

Хранить пароли в открытом виде нельзя, но и обычная быстрая хеш-функция вроде SHA-256 без соли не защищает: современное оборудование перебирает миллиарды таких хешей в секунду. Для паролей используют специализированные медленные функции — bcrypt, scrypt, Argon2, PBKDF2 — вместе со случайной солью для каждого пароля.

Быстрая хеш-функция общего назначения — это плюс для контроля целостности файла и минус для пароля: чем быстрее алгоритм считает один хеш, тем быстрее злоумышленник с современным GPU или специализированным оборудованием перебирает варианты и сверяет их с украденной базой. Простой пароль, захешированный обычным SHA-256, вскрывается за минуты — не из-за слабости SHA-256 как такового, а из-за того, что он не для этого спроектирован.

Отдельная связанная угроза — брутфорс, прямой перебор паролей на живом сервисе, а не по украденной базе хешей; медленное хеширование защищает именно от офлайн-перебора после утечки базы.

Хеширование применяется везде, где нужно быстро проверить целостность или уникальность данных, не сравнивая их напрямую: в контроле целостности файлов и обновлений, в электронной подписи, в блокчейне, дедупликации хранилищ и индикаторах компрометации. Общий принцип один — сравнивать короткие хеши быстрее и практичнее, чем сравнивать сами данные целиком.

• Контроль целостности файлов и обновлений. Издатель публикует хеш файла рядом со ссылкой на скачивание; получатель считает хеш загруженного файла и сверяет со значением издателя — несовпадение означает, что файл повреждён при передаче или подменён.
• Электронная подпись. Подписывается не сам документ целиком, а его хеш — это на порядки быстрее и не меняет юридическую силу подписи, поскольку любое изменение документа меняет и его хеш. Подробнее о видах подписи и требованиях — в разделе про электронную подпись и 63-ФЗ.
• Блокчейн. Каждый блок содержит хеш предыдущего блока, формируя цепочку: изменить один блок задним числом невозможно без пересчёта хешей всех последующих блоков.
• Дедупликация. Системы хранения считают хеш каждого файла или блока данных и хранят одинаковые по хешу объекты один раз, экономя место без побайтового сравнения.
• Индикаторы компрометации. Хеши вредоносных файлов (обычно MD5, SHA-1 или SHA-256) — один из базовых типов индикаторов компрометации: антивирус или EDR сверяет хеш проверяемого файла со списком известных вредоносных хешей.
• HMAC. Код аутентификации сообщения на основе хеш-функции и секретного ключа — подтверждает не только целостность данных, но и то, что сообщение сформировал обладатель ключа, а не посторонний.