扫盲文件完整性校验——关于散列值和数字签名

2013-02-12 原文 #编程随想 的其它文章

扫盲文件完整性校验——关于散列值和数字签名

近期有网友在博客中留言,希望俺介绍散列值校验文件的知识。所以俺干脆写一篇“文件完整性校验”的扫盲教程。由于本文是扫盲性质,尽量不涉及太技术化的内容。


★啥是“完整性校验”?


所谓的“完整性校验”,顾名思义,就是检查文件是否完整。那么,什么情况下会导致文件不完整捏?大概有如下几种情况。

1. 感染病毒
比方说你的系统中了病毒,病毒感染了某个软件安装包或者某个可执行程序。那么该文件的完整性就被破坏了。

2. 植入木马/后门
还有一种文件不完整的情况,是被别有用心的人植入木马或后门。比方说某些国内的软件下载站点,它们提供的 Windows 安装光盘镜像已经被安置了后门。

3. 传输故障
这种情况主要发生在网络下载时。因为网络传输是有可能发生误码的(传输错误),另外还有可能下载到快结束的时候断线(没下载全)。这些情况都会导致你下载的文件不完整。
如今的上网环境相比当年的 Modem 拨号,已经有明显改善。所以这种情况应该不多见了。


★散列算法(哈希算法)扫盲


◇什么是“散列算法/哈希算法”?


这里所说的“散列”是一种计算机算法,洋文叫做 Hash,有时候也根据音译称为哈希。
散列算法可以把【任意尺寸】的数据(原始数据)转变为一个【固定尺寸】的“小”数据(叫“散列值”或“摘要”)。

◇摘要长度


对于某个具体的散列算法,得到的散列值长度总是固定的。散列值的长度又称“摘要长度”。
以下是常见散列算法的摘要长度
散列算法 散列值比特数 散列值字节数
CRC32 32 4
MD5 128 16
SHA1 160 20
SHA256 256 32
SHA512 512 64

◇散列算法的特色


1. 不可逆性
从刚才的描述看,散列似乎有点像压缩。其实捏,散列算法跟压缩算法是完全不同滴。压缩算法是可逆的(可以把压缩后的数据再还原),而【 散列算法是不可逆的 】。
还有一些人把散列算法称为“加密算法”,这也是不对的。因为加密算法是可逆的(“加密”的【逆操作】就是“解密”),而散列算法是【不可逆】的。

2. 确定性
通过某种散列算法,分别对两个原始数据计算散列值。如果算出来的散列值不同,那么可以 100% 肯定这两段数据是不同的——这就是“确定性”。
但反过来,如果这两段数据的散列值相同,则只能说,这两段数据【 非常可能 】相同。所谓的“非常可能”,就是说,还达不到百分百。具体原因,请看下一节“散列函数的可靠性”。


★关于散列算法的【可靠性】


◇何为“散列碰撞”?


刚才说了,存在非常小的可能性,导致两段不同的原始数据,计算出相同的散列值。这种情况称之为“散列碰撞”或“散列冲突”。

◇碰撞的类型


散列碰撞的类型,大体上有两种:

1. 随机碰撞
随机碰撞就像买彩票中大奖,完全是出于小概率的偶然因素——你碰巧遇见两个不同的数据(文件),具有相同的散列值。
理论上讲,任何散列算法都存在随机碰撞的可能性,只是可能性有大有小。

2. 人为碰撞
人为碰撞就是说,有人(通常是恶意的攻击者)故意制造散列碰撞,以此来骗过“基于散列值的完整性校验”。

◇如何避免碰撞


1. 对于随机碰撞
要避免随机碰撞,很简单,只需要选择摘要长度足够长的散列算法。
拿前面举的3个例子。
CRC32 的摘要长度是“32bit”,也就说,最多可以表示“2的32次方”这么多种可能性(也就是几十亿,数量级相当于地球总人口)。表面上看貌似很大,其实还不够大。比如当前互联网上的页面总数就已经大大超过“几十亿”。如果对每个页面计算 CRC32 散列,会碰到很多重复(碰撞)。
而 MD5 的摘要长度是“128bit”,也就是【2的128次方】。这个数字足够大了。通俗地说,从宇宙诞生到宇宙毁灭,你都未必有机会碰见 MD5 的【随机碰撞】。而 SHA1 的摘要长度是“160bit”,那就更不用说了。

2. 对于人为碰撞
想避免人为碰撞,要同时兼顾两个因素——散列算法的摘要长度、散列算法的优秀程度。“摘要长度”刚才已经解释了。光说一下“算法的优秀程度”。
如果某个散列算法有缺陷(不够优秀),那么攻击者就可以比较容易地构造出两个【不同的】原始数据,但却拥有【相同的】散列值。如此一来,就可以骗过基于散列算法的完整性检查。
典型的例子就是 MD5——该算法在过去10多年里曾经非常流行,但是前几年被发现存在严重缺陷。所以,MD5 虽然“随机碰撞”的概率非常非常低,但“人为碰撞”的概率可【不低】。如果你比较注重安全性,【不要】再使用 MD5 进行完整性校验。

再补充一下:
随着硬件计算能力的提升,即便是 SHA1 也开始变得【不】安全了(参见如下博文中的 密码学相关 章节)。今后 SHA1 会逐步被 SHA256 或 SHA512 替代。
近期安全动态和点评(2019年2季度)


★散列值校验的方法——使用网站提供的软件散列值


如今,大伙儿的安全意识越来越高了。相应的,很多知名的软件,除了在官网上提供下载,还会相应提供下载软件的散列值。当你下载好某个软件之后,先在自己电脑里计算一下散列值,然后跟官方网站提供的散列值对比一下。如果散列值一样,通常就说明没问题。

举例:Firefox 浏览器的散列校验
打开如下链接,就可以看到 Firefox 某个版本的 SHA1 列表(把网址中的 版本号 三个字替换为具体的【三段式】版本号,比如 18.0.2 )。这个列表很长,包括各种语言,各个平台。为了方便起见,你可以先算好 SHA1 散列值,然后到里面搜索该散列值
https://ftp.mozilla.org/pub/mozilla.org/firefox/releases/版本号/SHA1SUMS

某些菜鸟读者可能会问:如何在自己电脑上计算某个软件的散列值?
这就需要看下一个章节。


★散列值校验的方法——使用客户端工具计算散列值


前面说完了校验的流程,最后再说一下校验的工具。
考虑到大部分读者是 Windows 用户,俺介绍一下微软官方的 FCIV(洋文全称是“File Checksum Integrity Verifier”)。这是一个小巧、绿色、免费的命令行工具,下载页面在“ 这里 ”。
因为是命令行工具,你需要先运行 CMD,出现 Windows 的命令行界面(黑窗口)之后,在其中使用该工具。下面是 FCIV 功能简介。

◇计算单个文件


比如你有一个微软的系统安装光盘镜像,位于 C:\download\Windows.iso 那么,用如下命令可以计算该文件的 SHA1 散列值
fciv -sha1 C:\download\Windows.iso

◇批量计算某个目录


FCIV 支持批量计算某个目录下的文件散列值。比方说,可以用如下命令可以计算 C:\download 目录下的每一个文件的 SHA1
fciv -sha1 C:\download\

◇批量计算并存储,供前后对比


比如 C:\download 目录下有很多文件。俺想知道过一段时间之后,这些文件是否被改过。那么,可以先用如下命令,把该目录中所有文件的 SHA1 散列都存储到某个 XML 格式的文件中(本例中,俺假设保存的文件是当前目录的 hash.xml ,你也可以保存到其它文件名)
fciv -sha1 C:\download\ -xml hash.xml

过了一段时间后,你可以用如下命令,就可以看出哪些文件被修改过。
fciv -sha1 C:\download\ -xml hash.xml -v


★啥是“数字签名”?


所谓的“数字签名”,通俗来说,就是采用某种技术手段来证明某个信息确实是由某个机构(或某个人)发布的。因为其用途有点类似于传统的手写签字,所以称之为“数字签名”。
数字签名的技术实现需要依赖于“非对称加密技术”和“数字证书体系”。关于“非对称加密技术”,考虑到篇幅,今天就不展开了;关于“数字证书”,3年前写过一篇扫盲(在“ 这里 ”),有兴趣的同学可以瞧一瞧,这里就不再啰嗦了。


★Windows 平台的“数字签名”


数字签名有很多种,大伙儿比较常见的是 Windows 平台下的数字签名。如今大型 IT 公司(比如“微软、Google、苹果”等)或者是知名开源组织发布的 Windows 软件,安装文件通常都内置数字签名。所以俺着重介绍 Windows 平台的数字签名该如何校验。

◇利用资源管理器验证单个文件


大概从 Windows 2000开始,Windows 就支持在某个文件尾部附加数字签名,并且 Windows 的资源管理器内置了对数字签名的校验功能。
下面俺通过几个截图,简单介绍一下:如何在资源管理器中验证数字签名。

比如,俺手头有一个 Firefox 的安装文件(带有数字签名)。当俺查看该文件的属性,会看到如下的界面。眼神好的同学,会注意到到上面有个“ 数字签名 ”的标签页。如果没有出现这个标签页,就说明该文件没有附带数字签名。
不见图 请翻墙

选择该标签页,出现如下界面。
顺便说一下,某些数字签名中没有包含“邮件地址”,那么这一项会显示“不可用”;同样的,某些数字签名没有包含“时间戳”,也会显示“不可用”。不要紧张,这里显示的“不可用”跟数字签名的有效性 没关系
不见图 请翻墙

一般来说,签名列表中,有且仅有一个签名。选中它,点“ 详细信息 ”按钮。跳出如下界面:
通常这个界面会显示一行字: 该数字签名正常 (图中红圈标出)。如果有这行字,就说明该文件从出厂到你手里,中途没有被篡改过(是原装滴、是纯洁滴)。
不见图 请翻墙

如果该文件被篡改过了(比如,感染了病毒、被注入木马),那么对话框会出现一个警告提示: 该数字签名无效 (图中红圈标出),界面如下。一旦出现数字签名无效,那这个文件就不要再使用了。
不见图 请翻墙

◇利用命令行工具批量验证


用上面的图形化界面进行验证,比较傻瓜化。但有一个缺点——如果你要验证的文件比较多,一个一个去点对话框,手会抽筋滴。所以,俺再介绍一下命令行的工具,适合进行批量验证。
这个命令行工具就是微软官网提供的【SigCheck】,由大名鼎鼎的 SysInternals 出品(SysInternals 已经被微软收购)。跟前面提到的 FCIV 类似,它也是一个小巧、绿色、免费的命令行工具,下载页面在“ 这里 ”。

使用如下命令,可以批量检查某个目录下(包括多层嵌套子目录)的所有可执行程序,并且把“无签名”或者“签名无效”的文件列出来。
sigcheck -u -e -s 某个目录的路径名
先提醒一下:
检查数字签名的有效性本身就比较慢,如果目录下的文件很多,你要有足够的耐心等它运行完毕。

稍微补充一下,这个 SigCheck 命令还顺便提供了散列值(命令格式如下),该功能可替代 FCIV 的头两个功能,可惜无法替代 FCIV 的第三个功能。
sigcheck -h 某个【目录】的路径名
sigcheck -h 某个【文件】的路径名


★PGP/GPG 的数字签名


刚才聊了 Windows 平台滴。但是,切莫以为只有 Windows 平台才提供数字签名——其它的数字签名工具还有好几种。名气比较大的数字签名工具当属 PGP/GPG。这两个缩写就像绕口令,很容易搞混。PGP 是商业软件,而 GPG 是 GnuPG 的缩写,是 GNU 的开源项目。后者是前者的开源替代品,两者的功能基本兼容。
这俩玩意儿的功能很强悍,校验数字签名对它俩只是小菜一碟。考虑到大伙儿平时较少碰到 GPG 的签名,俺今天就偷懒一下,暂不介绍。以后如果有空,再专门写一篇帖子介绍 PGP/GPG 的各种功能和使用场景。


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