Коллизия хеш-функции

Коллизией хеш-функции $H$ называется два различных входных блока данных $x$ и $y$ таких, что $H(x) = H(y).$

Коллизии существуют для большинства хеш-функций, но для «хороших» хеш-функций частота их возникновения близка к теоретическому минимуму. В некоторых частных случаях, когда множество различных входных данных конечно, можно задать инъективную хеш-функцию, по определению не имеющую коллизий. Однако для хеш-функций, принимающих вход переменной длины и возвращающих хеш постоянной длины (таких как MD5), коллизии обязаны существовать, поскольку хотя бы для одного значения хеш-функции соответствующее ему множество входных данных (полный прообраз) будет бесконечно — и любые два набора данных из этого множества образуют коллизию.

Пример

Рассмотрим в качестве примера хеш-функцию $H(x)=x\ \bmod\ 19$, определённую на множестве целых чисел. Её область значений состоит из 19 элементов (кольца вычетов по модулю 19), а область определения — бесконечна. Так как множество прообразов заведомо больше множества значений, коллизии обязаны существовать.

Построим коллизию для этой хеш-функции для входного значения 38, хеш-сумма которого равна нулю. Так как функция $H(x)$ — периодическая с периодом 19, то для любого входного значения y, значение y + 19 будет иметь ту же хеш-сумму, что и y. В частности, для входного значения 38 той же хеш-суммой будут обладать входные значения 57, 76, и т. д. Таким образом, пары входных значений (38,57), (38,76) образуют коллизии хеш-функции $H(x)$.

Коллизии криптографических хеш-функций

Так как криптографические хеш-функции используются для подтверждения неизменности исходной информации, то возможность быстрого отыскания коллизии для них обычно равносильна дискредитации. Например, если хеш-функция используется для создания цифровой подписи, то умение находить для неё коллизии фактически равносильно умению подделывать цифровую подпись. Поэтому мерой криптостойкости хеш-функции считается вычислительная сложность нахождения коллизии. В идеале не должно существовать способа отыскания коллизий более быстрого, чем полный перебор. Если для некоторой хеш-функции находится способ получения коллизий существенно более быстрый, чем полный перебор, то эта хеш-функция перестаёт считаться криптостойкой и использоваться для передачи и хранения секретной информации. Теоретические и практические вопросы отыскания и использования коллизий ежегодно обсуждаются в рамках международных конференций (таких как CRYPTO или ASIACRYPT), на большом количестве ресурсов Интернета, а также во множестве публикаций.

Свойства криптографических хеш-функций

Основная статья: Криптографическая хеш-функция

Для того, чтобы хеш-функция H считалась криптографически стойкой, она должна удовлетворять трём основным требованиям, на которых основано большинство применений хеш-функций в криптографии:

• Необратимость: для заданного значения хеш-функции m должно быть практически невозможно найти блок данных $X$, для которого $H(X)=m$.
• Стойкость к коллизиям первого рода: для заданного сообщения M должно быть практически невозможно подобрать другое сообщение N, для которого $H(N)=H(M)$.
• Стойкость к коллизиям второго рода: должно быть практически невозможно подобрать пару сообщений $~(M, M')$, имеющих одинаковый хеш.

Использование коллизий для взлома

В качестве примера можно рассмотреть простую процедуру аутентификации пользователя:

• при регистрации в системе пользователь вводит свой пароль, к которому применяется некоторая хеш-функция, значение которой записывается в базу данных;
• при каждом вводе пароля, к нему применяется та же хеш-функция, а результат сравнивается с тем, который записан в БД.

При таком подходе, даже если злоумышленник получит доступ к базе данных, он не сможет восстановить исходные пароли пользователей (при условии необратимости используемой хеш-функции). Однако, если злоумышленник умеет находить коллизии для используемой хеш-функции, ему не составит труда найти поддельный пароль, который будет иметь ту же хеш-сумму, что и пароль пользователя.

Можно использовать коллизии для подделки сообщений: информация о валютных операциях, к примеру, часто шифруется посредством хеш-функций; злоумышленник, обладая методом нахождения коллизий этой хеш-функции, может заменить сообщение поддельным и тем самым повлиять на ход валютной операции.

Схожим образом можно использовать коллизии для подделки цифровых подписей и сертификатов.

Защита от использования коллизий

Существует ряд методов защиты от взлома, защиты от подделки паролей, подписей и сертификатов, даже если злоумышленнику известны методы построения коллизий для какой-либо хеш-функции.

Одним из методов является метод «salt», применяемый при хранении UNIX-паролей — добавление некоторой последовательности символов перед хешированием. Иногда, эта же последовательность добавляется и к полученному хешу. После такой процедуры итоговые хеш-таблицы значительно сложнее анализировать, а так как эта последовательность секретна, существенно повышается сложность построения коллизий — злоумышленнику должна быть также известна последовательность «salt».

Другим методом является конкатенация хешей, получаемых от двух различных хеш-функций. При этом, чтобы подобрать коллизии к хеш-функции $C(x)=y(x) \| z(x)$, являющейся конкатенацией хеш-функций $y(x)$ и $z(x)$, необходимо знать методы построения коллизий и для $y(x)$, и $z(x)$. Недостатком конкатенации является увеличение размера хеша, что не всегда приемлемо в практических приложениях.

Методы поиска коллизий

Одним из самых простых и универсальных методов поиска коллизий является атака «дней рождения». С помощью этой атаки отыскание коллизии для хеш-функции разрядности $n$ битов потребует в среднем около $2^{n/2}$ операций. Поэтому n-битная хеш-функция считается криптостойкой, если вычислительная сложность нахождения коллизий для неё близка к $2^{n/2}$.

Кроме того, существует атака расширения: зная $H(x)$, можно вычислить $H(x\|y) = H(H(x)\|y)$; которая, для некоторых хеш-функций, работает даже при обеспечении стойкости к коллизиям первого рода, стойкости к коллизиям второго рода, а также свойства необратимости. Подразумевается, что нет необходимости знать $X$, а достаточно знать лишь его хеш. Таким образом можно, например, дописывать дополнительную информацию к чужому сообщению. Для предотвращения этой атаки используют различные методы: добавляют дополнительный раунд при хешировании, отличный от предыдущих; применяют многократное хеширование; или используют комбинацию предыдущих 2х методов.

Но атаку расширения можно рассмотреть и с другой стороны: если у нас есть некоторое сообщение $X$, и хэш-функция уязвима к атаке расширения, то легко можно найти коллизию первого рода: $M_1=X\|Y$, $M_2=H(X)\|Y$, $H(M_1)=H(M_2)$, то есть нарушается свойство стойкости к коллизиям первого рода.

Большая часть современных хеш-функций имеют одинаковую структуру, основанную на разбиении входного текста на блоки и последующем итерационном процессе, в котором на каждой итерации используется некоторая функция $G(x,y)$, где x — очередной блок входного текста, а y — результат предыдущей операции. Однако такая схема несовершенна, так как, зная функцию $G$, можно проводить анализ данных в промежутках между итерациями, что облегчает поиск коллизий.

Часто нахождению коллизий хеш-функций предшествует нахождение её псевдоколлизий, то есть двух разных значений начального буфера, которые для одного и того же сообщения дают равные значения хеш-функции.

Коллизии хеш-функций MD4 и MD5

Основная статья: MD5#Коллизии MD5

В 1996 году Ганс Доббертин нашёл псевдоколлизии в MD5, используя определённые инициализирующие векторы, отличные от стандартных. Оказалось, что можно для известного сообщения построить второе, такое, что оно будет иметь такой же хеш, как и исходное. C точки зрения математики это означает: MD5(IV,L1) = MD5(IV,L2), где IV — начальное значение буфера, а L1 и L2 — различные сообщения.

В 2004 году китайские исследователи Ван Сяоюнь (Wang Xiaoyun), Фэн Дэнго (Feng Dengguo), Лай Сюэцзя (Lai Xuejia) и Юй Хунбо (Yu Hongbo) объявили об обнаруженной ими уязвимости в алгоритме, позволяющей за небольшое время (1 час на сервере IBM p690 (англ.)русск.) находить коллизии.

В 2005 году исследователи Ван Сяоюнь и Юй Хунбо из университета Шаньдуна в Китае, опубликовали алгоритм для поиска коллизий в хеш-функции MD5, причём их метод работает для любого инициализирующего вектора, а не только для вектора, используемого по стандарту. Применение этого метода к MD4 позволяет найти коллизию меньше чем за секунду. Он также применим и к другим хеш-функциям, таким как RIPEMD и HAVAL.

В 2008 году Сотиров Александр, Марк Стивенс (Marc Stevens), Якоб Аппельбаум (Jacob Appelbaum) опубликовали на конференции 25th Chaos Communication Congress статью, в которой показали возможность генерирования поддельных цифровых сертификатов, на основе использования коллизий MD5.

Коллизии хеш-функции SHA-1

Основная статья: SHA-1#Криптоанализ

В январе 2005 года Винсент Рэймен и Elisabeth Oswald опубликовали сообщение об атаке на усеченную версию SHA-1 (53 раунда вместо 80), которая позволяет находить коллизии меньше, чем за 2⁸⁰ операций.

В феврале 2005 года Ван Сяоюнь, Лиза Инь Ицюнь и Юй Хунбо представили атаку на полноценный SHA-1, которая требует менее 2⁶⁹ операций.

В августе 2005 года на CRYPTO 2005 эти же специалисты представили улучшенную версию атаки на полноценный SHA-1, с вычислительной сложностью в 2⁶³ операций. В декабре 2007 года детали этого улучшения были проверены Мартином Кохраном.

Кристоф де Каньер и Кристиан Рехберг позже представили усовершенствованную версию атаки на SHA-1, за что были удостоены награды за лучшую статью на конференции ASIACRYPT 2006. Ими была представлена двух-блоковая коллизия на 64-раундовый алгоритм с вычислительной сложностью около 2³⁵ операций.

Ввиду того, что теоретические атаки на SHA-1 оказались успешными, NIST планирует полностью отказаться от использования SHA-1 в цифровых подписях.

Коллизии других хеш-функций

Хеш функции RIPEMD и HAVAL также являются уязвимыми к алгоритму поиска коллизий MD5, опубликованному Ван Сяоюнь (Wang Xiaoyun), Фен Дэнгуо (Feng Dengguo), Лай Сюэцзя (Lai Xuejia) и Юй Хунбо (Yu Hongbo) в 2004 году.

Для второй модификации хеш-функции WHIRLPOOL, называемой Whirlpool-T, на 2009 год не предложено алгоритмов поиска коллизий или псевдоколлизий; существенным ограничением для их нахождения является сложность самой функции и большая длина (512 бит) выходного ключа.

Хеш-функция ГОСТ Р 34.10-2001 по криптостойкости мало отличается от ГОСТ Р 34.10-94, нахождение коллизий для которой сводится к вычислению дискретного логарифма в группе точек эллиптической кривой с предположительно экспоненциальной сложностью. Например, для 256-битных параметров дискретное логарифмирование с помощью ρ-метода или λ-метода Полларда потребует выполнения около ${10}^{30}$ операций.

Разрешение коллизий в хеш-таблицах

Основная статья: Хеш-таблица

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

• Метод цепочек: Технология сцепления элементов (chaining) 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.
• Открытая адресация: В отличие от хеширования с цепочками, при открытой адресации никаких списков нет, а все записи хранятся в самой хеш-таблице. Каждая ячейка таблицы содержит либо элемент динамического множества, либо NULL.

См. также

• Принцип Дирихле
• Хеширование

Ссылки

• Брюс Шнайер, Криптоанализ MD5 и SHA
• Cryptography Research, Hash Collision Q&A (англ.)
• Creating a rogue CA certificate, Alexander Sotirov, подделывание сертификатов на основе MD5 (англ.)
• International Association for Cryptologic Research Website
• Collisions for Hash Functions MD4, MD5, HAVAL-128 and RIPEMD, Xiaoyun Wang and Dengguo Feng and Xuejia Lai and Hongbo Yu (англ.)
• Improved Collision Attack on Hash Function MD5, very technical (англ.)
• NIST Comments on Cryptanalytic Attacks on SHA-1, комментарий NIST об атаках на SHA-1 (англ.)
• Computer Algorithm Tutor

Литература

• Брюс Шнайер (Bruce Schneier), «Прикладная криптография», 2е издание, ISBN 0-471-11709-9, гл.18, Однонаправленные хэш-функции
• Росс Андерсон (Ross Anderson), «Security Engineering» (англ.), Wiley, ISBN 0-471-38922-6