哈希碰撞攻击与防范机制

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1.引子

哈希表的原理是用数组来保存键值对，键值对存放的位置（下标）由键的哈希值决定，键的哈希值可以在参数时间内计算出来，这样哈希表插入、查找和删除的时间复杂度为O(1)，但是这是理想的情况下，真实的情况是，键的哈希值存在冲突碰撞，也就是不同的键的哈希值可能相等，一个好的哈希函数应该是尽可能的减少碰撞。解决冲突碰撞的方法有分为两种：开放地址法和 链接法，这里不具体展开。哈希表一般都采用链接法来解决冲突碰撞，也就是用一个链表来将分配到同一个桶（键的哈希值一样）的键值对保存起来。

所谓的哈希碰撞攻击就是，针对哈希函数的特性，精心构造数据，使所有数据的哈希值相同，当这些数据保存到哈希表中，哈希表就会退化为单链表，哈希表的各种操作的时间复杂度提升一个数量级，因此会消耗大量CPU资源，导致系统无法快速响应请求，从而达到拒绝服务攻击（Dos）的目的。

绝大多数语言中map的默认实现都是HashMap，比如Golang、Python，Java有2种HashMap和TreeMap

2.攻击方法与防范机制

通过构造哈希值完全相同的字符串
比如 hash(str1) == hash(str2)
找到大量的哈希值相同的str1、str2、str3 …

这种攻击方法依赖的前提是hash函数本身是不变的。
那么如果hash函数是变化的，那么就会大大增加构造哈希值完全相同的字符串的难度。 由此衍生出方案1。

2.1 方案1 加salt

哈希值的计算变为 hash(salt + str)
salt为特殊的字符串，一般都是固定值
由于salt是不对外暴露的，所以黑客构造哈希值完全相同的字符串的难度就增大了

2.2 方案2 可变的hash函数

如果hash函数本身就是可变的，那么黑客几乎无法构造哈希值完全相同的字符串。
我们来看Golang是怎么做的

type _type struct {
    ...
    kind       uint8
    alg        *typeAlg
    ...
}

每个类型都有其对应的typeAlg

// typeAlg is also copied/used in reflect/type.go.
// keep them in sync.
type typeAlg struct {
    // function for hashing objects of this type
    // (ptr to object, seed) -> hash
    hash func(unsafe.Pointer, uintptr) uintptr
    // function for comparing objects of this type
    // (ptr to object A, ptr to object B) -> ==?
    equal func(unsafe.Pointer, unsafe.Pointer) bool
}

var algarray = [alg_max]typeAlg{
    ...
    alg_STRING:   {strhash, strequal},
    alg_INTER:    {interhash, interequal},
    alg_FLOAT32:  {f32hash, f32equal},
    alg_FLOAT64:  {f64hash, f64equal},
    alg_CPLX64:   {c64hash, c64equal},
    ...
}

func strhash(a unsafe.Pointer, h uintptr) uintptr {
    x := (*stringStruct)(a)
    return memhash(x.str, h, uintptr(x.len))
}

最终我们可以看到

func memhash(p unsafe.Pointer, seed, s uintptr) uintptr {
    ...
}

这里的种子是个每次程序启动都会变化的随机数。 也就是说每次程序启动，同一个字符串的hash值是不同的。下面我们来验证一下。

3. 实验

test_hash.go

package main

func main() {
    var a = make(map[string]int, 5)
    a["helloworld"] = 1
    println(a["helloworld"])
}

直接在goland中打断点

第1次程序启动

第2次程序启动

结论

第1次hash值和第2次hash显然不同，由于seed的存在，对于每次程序的启动，可以理解为hash函数都是不同的。

后记

由于笔者不是安全领域的专家，本文必定有所疏漏，欢迎批评指出

2021年6月21日 事实上，在golang的hashmap中有个hash0参数，
hash0 是哈希的种子，它能为哈希函数的结果引入随机性
以下情况都会重新赋值(随机种子)

1) 创建新的map
2) map被清空

type hmap struct {
...
   hash0     uint32 // hash seed
...
}

参考资料

1. 哈希碰撞攻击

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