اس‌اچ‌ای-۱

اس‌اچ‌ای-۱ یا شا-۱ تابع درهم‌سازی در مقوله رمزنگاری است. توسط سازمان امنیت ملی در ایالات متحده آمریکا طراحی شده و توسط موسسه ملی فناوری و استانداردها انتشار یافته‌است. SHA-1 در واقع ابتدای واژه‌های این عبارت است: "الگوریتم درهم سازی ایمن" یا به انگلیسی SHA-1 (Secure Hash Algorithm 1) . در حال حاضر سه الگوریتم درهم سازی از این گروه با نسخه‌های ۰ و ۱ و ۲ وجود دارد. الگوریتم SHA-1 شباهت بسیار زیادی به اس‌اچ‌ای-0 دارد ولی در اصل ایرادهایی اساسی که در نسخه ۰ وجود داشته و سبب ضعف این الگوریتم شده بود را برطرف نموده‌است. نسخه ۰ در تعداد کمی از نرم‌افزارهای امنیتی به کار می‌رود و کاربرد گسترده‌ای ندارد. در حالی که نسخه ۲ این الگوریتم بسیار با نسخه‌های ۰و۱ متفاوت است.
الگوریتم درهم‌سازی ایمن با نسخه ۱ در حال حاضر پر کاربردترین الگوریتم درهم‌سازی از این خانواده‌است و در بسیاری از نرم‌افزارها و کاربری‌های امنیتی امروزه به خدمت گرفته شده‌است. در سال ۲۰۰۵ خطاهای امنیتی این الگوریتم در موضوع ریاضیات به کار رفته در آن تشخیص داده شد که نشان می‌داد ممکن است این الگوریتم شکسته شود. و از آن زمان بود که نیاز به یک الگوریتم بهتر در این حوزه احساس شد. اگرچه هنوز این احتمال به واقعیت تبدیل نشده و هیچ گونه حمله موفق به این الگوریتم صورت نگرفته‌است. اس‌اچ‌ای-۲ از بعضی SHA-1 است. با این تفسیر الگوریتم دیگری هم در حال توسعه‌است با نسخه ۳ که NIST برای انتخاب بهترین الگوریتم با این نام، مسابقه‌ای مثل دوره‌های قبل برگزار کرده که تا پایان سال ۲۰۱۲ پیش‌بینی شده به طول انجامد.
تابع درهم‌سازی SHA-1
الگوریتم SHA-1 یک چکیده پیام ۱۶۰ بیتی بر اساس روشی مشابه به الگوریتم‌های MD4 و ام‌دی۵ تولید می‌کند و البته قدری هم محافظه کارانه‌است.
مشخصه‌های اصلی این الگوریتم اولین بار در سال ۱۹۹۳ به عنوان استاندارد درهم‌سازی ایمن توسط NIST انتشار یافت. این نسخه را به نسخه ۰ هم ارجاع می‌دهند چون ساختار به کار رفته در آن همانطور که قبلا گفتیم شبیه نسخه ۰ است. NSA مدتی پس از انتشار نسخه ۰ آن را پس گرفت و با یک نسخه جدید با تجدید نظر کلی جانشین کرد که امروز آن را با نام sha-1 می‌شناسیم. در واقع فرق میان این دو نسخه یعنی ۰ و ۱ در یک گردش بیتی در الگوریتم ساخت پیام است. یعنی بخش تابع فشرده‌سازی تغییر یافته‌است. البته NSA هم برای این عملکرد خود دلیل مشخص و واضحی بیان نکرد و معتقد بود با این کار امنیت الگوریتم نسبت به نسخه قبلی ارتقا خواهد یافت.
مقایسه‌ای میان توابع درهم‌سازی
الگوریتم ومتغیر
اندازه خروجی (بیت)
اندازه وضعیت داخلی (بیت)
اندازه بلوک (بیت)
اندازه ماکزیمم پیغام (بیت)
اندازه کلمه (بیت)
دوره
عملگرها
تداخل‌های یافته‌شده
پرفورمانس (MiB/s)
MD5 (به‌عنوان مرجع)
۱۲۸
۱۲۸
۵۱۲
۲ ۶۴ − ۱
۳۲
۶۴
and,or,xor,rot
بله
۲۵۵
SHA-0
۱۶۰
۱۶۰
۵۱۲
۲ ۶۴ − ۱
۳۲
۸۰
+,and,or,xor,rot
بله
SHA-1
۱۶۰
۱۶۰
۵۱۲
۲ ۶۴ − ۱
۳۲
۸۰
+,and,or,xor,rot
حمله تئوریک (2 ۵۱ )
۱۵۳
SHA-2
SHA-256/224
۲۵۶/۲۲۴
۲۵۶
۵۱۲
۲ ۶۴ − ۱
۳۲
۶۴
+,and,or,xor,shr,rot
نه
۱۱۱
SHA-512/384
۵۱۲/۳۸۴
۵۱۲
۱۰۲۴
۲ ۱۲۸ − ۱
۶۴
۸۰
+,and,or,xor,shr,rot
نه
۹۹
سیستم تست شده در جدول بالا سیستمی یک ریسه (thread) با پردازنده intel Core 2 1.83Ghz است تحت ویندوز Vista ایکس۸۶. لازم به ذکر است نوع ۵۱۲ بیتی بر روی سیستم‌های ۶۴ بیتی بسیار سریعتر از ۲۵۶ بیتی است.
کاربردها
SHA-1 امروزه در نرم‌افزارها و پروتکلهای متعددی کاربرد دارد. از میان آن‌ها می‌توان به TLS، SSL، PGP، SSH، S/MIME و آی‌پی‌سک اشاره کرد. در این کاربردها می‌توان از الگوریتم درهم‌سازی MD5 هم استفاده کرد و به همین صورت می‌توان MD4 را هم در این کاربردها جایگزین کرد که البته امنیت کمتری را تضمین خواهند نمود. از sha-1 هم چنین در سیستم‌های کنترل بازنگری استفاده می‌شود از قبیل گیت (Git) و مرکوریال و Monotone. در این موارد از sha-1 برای شناسایی و بازنگری تغییرات و تشخیص تخریب داده‌ای یا تغییر داده‌ای استفاده می‌شود. از این الگوریتم هم چنین در کنسول بازی Nintendo’s Wii در زمانی که سیستم بوت می‌شود جهت تایید امضای شخص استفاده می‌شود. اما با وجود همه این کاربردها، یک حمله بالقوه و سازمان یافته در مقابل این الگوریتم ممکن است سبب شکسته شدن آن و گذر از سیستم یا سرویس امنیتی شود.
الگوریتم‌های درهم‌سازی SHA-1 و اس‌اچ‌ای-۲ الگوریتمهای ایمنی هستند که بنابر قانون در آمریکا بر روی نرم‌افزارهای مشخصی حتما باید مورد استفاده قرار گیرند که می‌توانند همراه با الگوریتم‌های رمزنگاری دیگری هم استفاده شوند. در کابردهایی مثل محافظت داده‌های حساس طبقه‌بندی نشده. و البته sha-1 در بیشتر موارد استفاده حکومتی در دولت آمریکا استفاده نمی‌شود و کنار گذاشته شده، به‌طوری‌که NIST گفته "آژانسهای فدرال آمریکا باید استفاده از SHA-1 را کنار بگذارند برای مصارف مختلف و در مصارفی که توانایی تحمل خطا مهم است و باید بالا باشد، از سال ۲۰۱۰ به بعد باید از نسخه ۲ استفاده کنند."
انگیزه اولیه برای انتشار خانواده sha، امضای دیجیتال بود.
توابع درهم‌سازی sha بنیان و اساس SHACAL block ciphers هستند.
صحت داده
Git در ساختار خود از SHA-1 نه برای امنیت، بلکه جهت صحت و اطمینان از عدم تغییر داده‌ها استفاده می‌کند. و البته Git با این الگوریتم بسیار هم موفق است به‌طوری‌که اگر به عنوان مثال شما داده‌ای را در آن ذخیره کنید و حتی ۵ سال از آن زمان بگذرد و شما بخواهید داده‌های خود را ملاحظه کنید خواهید دید که داده‌ها به‌طور تضمین شده‌ای دچار هیچ گونه تغییری نشده‌اند.
آنالیز و ارزیابی رمزنگاری
وقتی یک چکیده پیام با طول L داریم در اغلب موارد می‌توانیم رمز شده این پیام را با همین طول با پیچیدگی ۲ به توان L، مورد حمله Brute Force قرار داد و آن را افشا نمود. به آن حمله Preimage Attack هم گفته می‌شود. که حتی می‌تواند غیر وابسته به طول پیام یا شرایط محاسباتی حمله باشد. مسئله دومی که در اینجا مطرح می‌شود پیدا کردن دو الگوریتم رمزنگاری متفاوت است که هر دو یک چکیده پیام را تولید کنند. در چنین مواقعی می‌گوییم یک برخورد به وجود آمده و زمان لازم برای کشف آن از مرتبه ۲ به توان L/2 است. حمله اخیر را با نام حمله روز تولد یاد می‌کنند. با دلایل ذکر شده و یک سری دلایل محاسباتی طول کلید تابع در هم‌سازی را با نصف طول چکیده پیام رمز شده در رمزنگاری متقارن مقایسه می‌کنند تا نتایج بهتری بدست آورند. با این شرایط SHA-1 طولی بالغ بر ۸۰ خواهد داشت تا امنیت لازم را برای عملیات رمزنگاری تضمین کند.
البته دانشمندان رمزنگاری، برخوردهای دوتایی برای الگوریتم sha-0 پیدا کردند و الگوریتم‌هایی هم ارائه کردند که می‌تواند ثابت کند چنین برخوردی در sha-1 هم می‌تواند به وجود بیاید. با وجود این برخورد در الگوریتم sha-1 تعداد کل حالات به جای آنکه از مرتبه ۲ به توان ۸۰ باشد کادرهم‌سازی یافته و از مرتبه همان عدد به توان ۴۰ خواهد شد که زمان بسیار کمتری را برای افشا نیازمند است.
در اصطلاح امنیت کاربردی، نگرانی ویژه در مورد این گونه حملات تازه بنیاد اینست که روزی ممکن است راه افشا را از این هم که هست راحتتر کنند. و البته استفاده از الگوریتمهای رمزنگاری قدرتمندتر قدری اطمینان بخش است. نرم‌افزارهایی که رمز عبور را با استفاده از درهم‌سازی ذخیره می‌کنند کمتر در معرض خطر collision هستند. برای این موارد می‌توان از حملات Preimage Attack استفاده کرد. بدین صورت که پس از دستیابی به رمز عبور، آن را با الگوریتمی که تبدیل کردند، به صورت معکوس، رمز واقعی و Plain Text بدست می‌آورند. در چنین مواقعی هم وجود یک الگوریتم درهم‌سازی قدرتمند احساس می‌شود.
به دلیل ویژگی‌های ساختاری الگوریتم‌های درهم‌سازی sha، کلیه آن‌ها نسبت به حملات تداخلی آسیب پذیر هستند. این دسته از حملات به حمله‌کننده اجازه پیشرفت و نفوذ بیشتر را می‌دهند.
SHA-0
در سال ۱۹۹۸ توسط دو فرانسوی این الگوریتم مورد حمله تداخلی قرار گرفت که با پیچیدگی ۲ به توان ۶۱ که خیلی کمتر از حمله نرمال آن بود (یعنی ۲ به توان ۸۱) به موفقیت رسید. به‌طور مشابه در سال ۲۰۰۴ با پیدا کردن collision این میزان به ۲ به توان ۶۲ کادرهم‌سازی یافت و موفق شدند آن را بشکنند. در آگوست همان سال توسط تیمی دیگر این میزان به ۲ به توان ۵۱ کادرهم‌سازی یافت که با امکاناتی که در آن روز در اختیار داشتند فرایند حمله را ظرف مدت ۱۳ روز به اتمام رسانیدند. بعد از آن حملاتی با پیچیدگی ۲ به توان ۴۰ و ۳۹ هم اتفاق افتاد که به زمان کمتری جهت شکستن الگوریتم نیاز داشتند.