SHA-1 是什麼？為什麼不再安全？

最後更新：2025年2月3日
基礎概念

本文為 資安入門 系列文，第 3 篇

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SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）是一種雜湊演算法，由 美國國家安全局（NSA） 設計，並於 1995 年由 美國國家標準與技術研究院（NIST） 發布。

SHA-1 的作用是將任意長度的輸入數據轉換為 固定 160 位元（20 字節） 的雜湊值（Hash Value），通常以 40 個十六進位字元表示。例如：

  • 輸入：「hello」 → SHA-1 雜湊值：f572d396fae9206628714fb2ce00f72e94f2258f
  • 輸入：「hello world」 → SHA-1 雜湊值：2ef7bde608ce5404e97d5f042f95f89f1c232871

SHA-1 曾廣泛應用於數據完整性驗證、密碼儲存、SSL/TLS 加密、數字簽章等安全領域，但如今已被認為不安全，並被更強的雜湊演算法（如 SHA-256、SHA-512）取代。

SHA-1 的特性

  1. 固定輸出長度：無論輸入資料的長度是多少，SHA-1 產生的雜湊值長度始終為 160 位元（40 個十六進位字元）。
  2. 單向性（不可逆）：理論上無法從 SHA-1 雜湊值推回原始數據。
  3. 相同輸入產生相同輸出：相同的輸入，無論計算多少次，SHA-1 產生的雜湊值都是一樣的。
  4. 雪崩效應（Avalanche Effect）：輸入的任何微小變化，會導致雜湊值完全不同。
  5. 抗碰撞性（已被破解）：不同的輸入應該要產生不同的雜湊值，但 SHA-1 已經被證明可以產生相同的雜湊值（碰撞攻擊），因此安全性大幅降低。

SHA-1 為什麼不安全？

雖然 SHA-1 在設計時具有良好的安全性，但隨著計算能力的提升，研究人員已經發現多種方式來破解它，主要問題如下：

碰撞攻擊（Collision Attack）已被實證

碰撞攻擊指的是兩個不同的輸入能夠產生相同的 SHA-1 雜湊值，這使 SHA-1 無法保證數據的唯一性與完整性。

2017 年，Google 和荷蘭阿姆斯特丹大學的研究人員成功製造出兩個不同的 PDF 文件，但它們的 SHA-1 雜湊值完全相同，這項研究被稱為 SHAttered 攻擊。

SHA-1 碰撞示範（Google SHAttered 攻擊）：

文件 A 的 SHA-1：38762cf7f55934b34d179ae6a4c80cadccbb7f0a
文件 B 的 SHA-1：38762cf7f55934b34d179ae6a4c80cadccbb7f0a

這代表攻擊者可以製造一個與原始文件具有相同 SHA-1 值的惡意文件，並用於欺騙驗證系統，例如：

  • 偽造數字簽章，欺騙電子文件驗證系統
  • 竄改檔案（如軟體更新包），讓受害者下載被植入惡意代碼的文件

計算能力提升，破解 SHA-1 變得更容易

SHA-1 在設計時，碰撞攻擊的計算難度非常高，但如今隨著 GPU、FPGA 和雲端運算 的進步，攻擊變得更快、更便宜。

  • 2012 年，研究人員估計破解 SHA-1 需要 7,000,000 美元的運算成本
  • 2017 年，Google 透過 90 天內的運算 成功破解 SHA-1
  • 2020 年，研究顯示破解 SHA-1 的成本已降至 45,000 美元以下
  • 2022 年，攻擊成本更下降到 不到 1,000 美元，普通駭客也能利用現有工具來攻擊

這表示，SHA-1 已經無法抵抗現代計算能力的暴力破解，應立即停止使用。

SHA-1 與 MD5 的關係

  1. SHA-1 是 MD5 的改良版
    • MD5（Message Digest Algorithm 5）於 1992 年 由 Ron Rivest 設計，主要用來生成固定長度的雜湊值，但後來發現它容易受到碰撞攻擊（Collision Attack）。
    • 為了解決 MD5 的安全問題，美國國家安全局（NSA）在 1995 年 設計了 SHA-1，其主要目標是增強抗碰撞性，使得產生相同雜湊值的機率更低。
  2. SHA-1 與 MD5 的相似點
    • 都是雜湊演算法（Hash Algorithm），可以將輸入轉換為固定長度的數據指紋。
    • 都是單向函數（不可逆），理論上無法從雜湊值推回原始輸入。
    • 都有雪崩效應（Avalanche Effect），輸入稍微改變，雜湊值就會完全不同。
  3. SHA-1 相較於 MD5 的改進點
    • 更長的輸出長度
      • MD5 產生 128 位元（16 字節） 的雜湊值
      • SHA-1 產生 160 位元（20 字節） 的雜湊值
      • 更長的雜湊值讓 SHA-1 相較 MD5 更難被暴力破解
    • 更強的數學運算結構
      • SHA-1 採用更多的數學步驟來處理數據，比 MD5 更難產生碰撞

SHA-1 與 MD5 的比較

MD51992 年
SHA-11995 年
MD5Ron Rivest（RSA）
SHA-1NSA（美國國安局）
MD5128 位元（32 字元）
SHA-1160 位元（40 字元）
MD5快
SHA-1稍微慢一點
MD5已破解，不安全
SHA-1已破解，不安全
MD52004 年被破解
SHA-12017 年被破解
MD5SHA-256、bcrypt
SHA-1SHA-256、SHA-512

SHA-1 和 MD5 現在都不安全

雖然 SHA-1 比 MD5 更安全，但現在計算能力提升，SHA-1 也已經不夠安全，兩者都已經被更強的雜湊演算法（如 SHA-256、SHA-512）取代。

如果你的系統仍在使用 MD5 或 SHA-1，建議立即升級為更安全的演算法，例如 SHA-256、bcrypt 或 Argon2，以避免資料遭到破解或竄改。

SHA-1 已被禁止使用

由於 SHA-1 的安全性問題，各大安全機構已經宣布停止使用 SHA-1：

  • 2011 年：NIST（美國國家標準技術研究院）建議改用 SHA-256 或 SHA-3
  • 2017 年：Google 發表 SHAttered 攻擊，證明 SHA-1 碰撞攻擊可行
  • 2018 年：微軟、Google、Mozilla 等停止支援 SHA-1 憑證
  • 2020 年：GitHub 宣布逐步淘汰 SHA-1
  • 2023 年：主要瀏覽器（Chrome、Firefox、Edge）完全拒絕 SHA-1 HTTPS 憑證

現在，SHA-1 已經不符合現代安全標準，所有系統應立即改用 SHA-256 或更強的演算法。

SHA-1 的替代方案

由於 SHA-1 不再安全，建議改用以下更強的雜湊演算法：

輸出長度256 位元（64 字元）
安全性高
適用範圍數據完整性驗證、區塊鏈
輸出長度512 位元（128 字元）
安全性更高
適用範圍高安全需求（如政府機構）
輸出長度可變長度
安全性非常高
適用範圍密碼儲存，防止暴力破解
輸出長度可變長度
安全性最安全
適用範圍密碼儲存，防止 GPU 攻擊

結論

SHA-1 曾經是安全領域的重要技術，但現在已經不安全，應該全面淘汰。

目前，各大網路平台與安全機構已經禁止使用 SHA-1，並建議改用 SHA-256、SHA-512 或 bcrypt 來確保數據的安全性。

如果你的系統仍然依賴 SHA-1，應儘快進行升級，以防止資料被竄改或攻擊。