Hash 的妙用

問題與答案 (FAQ)

Q&A 類別 A: 概念理解類

Q1: 什麼是雜湊（Hash）演算法？

• A簡: 將任意長度資料映射為固定長度摘要的單向函數。具決定性、固定長度、難逆向與抗碰撞等特性，常用於驗證、簽章與索引。
• A詳: 雜湊演算法是把任意長度輸入資料，經過數學運算，輸出固定長度的摘要（digest）。理想的特性包含：同樣輸入得到同樣輸出（決定性）、輸出長度固定、很難由輸出推回輸入（單向性）、難以找到不同輸入卻輸出相同值（碰撞困難），以及微小變動造成巨變輸出（雪崩效應）。應用於密碼儲存、檔案比對、數位簽章與資料防竄改等。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q2, A-Q4, B-Q1

Q2: 雜湊的核心特性有哪些？

• A簡: 決定性、固定長度、單向性、碰撞困難、雪崩效應。密碼學雜湊更要求前像與次前像抗性及抗碰撞強度。
• A詳: 核心特性包括：決定性（相同輸入得相同輸出）、固定長度（無論輸入多大，摘要長度不變）、單向性（無法有效由摘要還原原文）、碰撞困難（難找不同輸入同摘要）、雪崩效應（輸入微調導致輸出大變）。密碼學雜湊另要求前像抗性（給定摘要難找到原文）與次前像抗性（給定原文難找同摘要他文）。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q1, A-Q7, A-Q8

Q3: 為什麼需要雜湊演算法？

• A簡: 提供高效驗證與完整性保護：密碼儲存、檔案比對、數位簽章、訊息防竄改、去重索引等。
• A詳: 雜湊的固定長度與單向性，讓我們能安全地儲存密碼（存雜湊而非明文），快速判斷檔案是否相同（比對摘要），建立數位簽章的完整性基礎（先雜湊再簽），以及替對外暴露資訊加上防竄改保護（如 Cookie、URL 簽名）。在海量資料環境，雜湊也常用來建立索引與去重，降低儲存與比對成本。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q18, A-Q19, B-Q8

Q4: 雜湊與加密有何差異？

• A簡: 加密可逆需金鑰，雜湊不可逆無金鑰。加密確保機密性，雜湊確保完整性與身份驗證（配合 HMAC/簽章）。
• A詳: 加密透過金鑰把明文轉密文，授權者可用金鑰還原，目的在保密。雜湊將資料映射為固定長度摘要，過程不可逆，因此不能還原原文，主要用途是驗證內容是否被改、資料身份與一致性。當雜湊與祕密金鑰結合（HMAC）或與非對稱簽章結合，就能達成防竄改與身份驗證。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q16, A-Q17, B-Q19

Q5: 雜湊與檢查碼（CRC）差異是什麼？

• A簡: CRC偵測偶發錯誤，非對抗性；雜湊（密碼學）抵禦惡意偽造。安全需求用雜湊或 HMAC，不用 CRC。
• A詳: CRC 是線性演算法，擅長偵測傳輸或儲存中的偶發錯誤（位翻轉），但對攻擊者可被蓄意構造繞過。密碼學雜湊具抗碰撞與單向性，能抵禦刻意偽造與差異構造攻擊，適合安全用途。若需驗證訊息與身份，應用 HMAC 或數位簽章，而不是單純 CRC。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q1, A-Q16, B-Q14

Q6: 什麼是訊息摘要（Message Digest）？

• A簡: 訊息摘要即雜湊輸出，為固定長度字串，用來代表原始資料以進行比對與驗證。
• A詳: 訊息摘要是對資料套用雜湊演算法後得到的固定長度結果，又稱雜湊值、指紋。它壓縮資訊而保留完整性判斷能力，適用於檔案相等性比對、傳輸後驗證、簽章流程中的待簽內容等。常以十六進位或 Base64 編碼儲存或展示，便於人讀與傳輸。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q10, B-Q13, C-Q3

Q7: 什麼是碰撞（Collision）？

• A簡: 不同輸入產生相同雜湊值的情況。理想密碼學雜湊令刻意製造碰撞在計算上不可行。
• A詳: 因輸出長度固定、輸入無限，碰撞必然存在。安全重點在「計算困難度」：攻擊者不應能在合理時間內找到兩個不同輸入卻共享同一摘要。若碰撞易找，則可偽造文件或繞過相等性檢查，危及簽章與完整性機制。MD5、SHA-1 已不具足夠抗碰撞性。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q11, B-Q11, B-Q10

Q8: 什麼是前像抗性與次前像抗性？

• A簡: 前像抗性：難從摘要找原文。次前像抗性：難找與指定原文同摘要的另一輸入。
• A詳: 前像抗性（Preimage Resistance）確保給定摘要時，無法有效倒推出任何生成該摘要的原文。次前像抗性（Second Preimage）則是已知某原文時，難找到另一不同輸入卻有相同摘要。這兩者與抗碰撞性共同構成密碼學雜湊的三大安全性目標，支撐密碼儲存、簽章與防竄改方案。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q2, A-Q7, A-Q16

Q9: 什麼是雪崩效應（Avalanche effect）？

• A簡: 輸入一位微小變動，輸出摘要應有約半數位元翻轉，呈現高度不可預測。
• A詳: 雪崩效應保證雜湊對輸入變化高度敏感，避免攻擊者藉由輸出變化推測輸入結構。良好的雪崩效應帶來「看似隨機」的輸出分佈，有助均衡桶分佈、降低聚集。若雪崩表現差，容易出現偏差與結構性弱點，影響碰撞安全與索引品質。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q2, B-Q1, B-Q14

Q10: 常見雜湊演算法有哪些？

• A簡: MD5、SHA-1（過時）、SHA-2（SHA-256/512）、SHA-3（Keccak）。安全用途建議選 SHA-2/3。
• A詳: 歷史上常用 MD5、SHA-1，如今已被證實碰撞脆弱，不建議安全用途。現行主流為 SHA-2 家族（SHA-256、SHA-512 等）與標準化的 SHA-3（基於 Keccak 海綿結構）。選擇時考量安全等級、效能與硬體支援（如 SHA-NI），並依場景採 HMAC、Argon2、PBKDF2 等結合。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q11, B-Q2, B-Q3

Q11: MD5 與 SHA-1 還能用嗎？

• A簡: 不適合安全敏感用途。僅可用於非對抗性場景（如重複檔案初篩），安全應換 SHA-256/HMAC。
• A詳: MD5、SHA-1 已有實用碰撞攻擊，能被刻意構造相同摘要，危及簽章、驗證與信任鏈。不建議用於任何需抗對手的完整性或身份檢驗。可在去重初步比對使用，但務必搭配更強雜湊或二次比對。安全場景改用 SHA-256/512 或 SHA-3，並配合 HMAC 或簽章。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q7, A-Q10, B-Q11

Q12: SHA-256 與 SHA-512 有何差異？

• A簡: 摘要長度與安全邊際不同，SHA-512 在 64 位元硬體常更快；選擇依平台與需求。
• A詳: SHA-256 輸出 256 位元，碰撞安全邊際約 128 位；SHA-512 輸出 512 位元，碰撞邊際約 256 位。在 64 位元 CPU，SHA-512 常有更佳效能；在受限平台或相容需求，SHA-256 更通用。多數應用兩者皆足夠，重點在正確實作與 HMAC/簽章搭配。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q10, B-Q16, C-Q3

Q13: 什麼是鹽（Salt），為何要用在密碼雜湊？

• A簡: Salt 是每筆獨立隨機值，與密碼一起雜湊，防止彩虹表與同值密碼產生相同摘要。
• A詳: 使用者常重複密碼，單純雜湊易被彩虹表或事前計算攻擊破解。對每筆密碼加入獨立高熵隨機 salt（且儲存於資料庫），可破壞預計算攻擊，讓相同密碼因 salt 不同而產生不同摘要。配合延展演算法（如 PBKDF2、bcrypt、scrypt、Argon2）可顯著提高爆破成本。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q15, C-Q4, C-Q5

Q14: 什麼是胡椒（Pepper），與 Salt 有何不同？

• A簡: Pepper 是服務端共用祕密，與 Salt 不同，Pepper 不存於資料庫而放於安全配置。
• A詳: Salt 是公開、每筆獨立的隨機值，阻擋預計算攻擊；Pepper 則是應用層的共用祕密，與密碼一起參與雜湊或 HMAC，增加攻擊者在獲得資料庫後仍需取得的材料。Pepper 應存於 HSM、環境變數或安全金鑰管理系統，並具輪替機制，防止資料洩露時全軍覆沒。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q13, C-Q9, B-Q19

Q15: 什麼是金鑰延展（Key Stretching）？

• A簡: 透過計算昂貴演算法（PBKDF2、bcrypt、scrypt、Argon2），放大密碼猜測成本，抵抗爆破。
• A詳: 使用者密碼熵低，攻擊者可用 GPU/ASIC 暴力破解。Key Stretching 將雜湊重複多輪或採記憶體硬成本計算，使每次猜測變慢變貴。PBKDF2 可調迭代次數；bcrypt 引入 cost 參數；scrypt、Argon2 增加記憶體需求，有效對抗並行化硬體。建議選 Argon2id 或 PBKDF2-SHA256。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q13, C-Q4, C-Q5

Q16: 什麼是 HMAC？為何比單純雜湊更安全？

• A簡: HMAC 用祕密金鑰與雜湊結合驗證訊息，能防竄改與偽造；單純雜湊無法驗證身份。
• A詳: HMAC（Keyed-Hash Message Authentication Code）將資料與金鑰經由內外層雜湊（ipad/opad）組合，產生驗證碼。接收端用同金鑰可重算比對，確保資料未被竄改且由持鍵者產生。與純雜湊不同，攻擊者不知道金鑰無法偽造同值。常用於 Cookie/URL 簽名與微服務請求驗證。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q4, B-Q4, C-Q2

Q17: 數位簽章與雜湊的關係是什麼？

• A簡: 簽章先雜湊資料，再用私鑰簽摘要；驗章用公鑰驗證，確保完整性與不可否認。
• A詳: 直接簽整份資料成本高且脆弱，因此慣例先計算資料摘要，再用私鑰（RSA/ECDSA/EdDSA）對摘要簽章。驗證時，重算摘要並用公鑰驗章比對。雜湊提供完整性與固定長度，簽章提供來源認證與不可否認，是公鑰基礎設施（PKI）與檔案分發的關鍵組合。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q8, C-Q7, C-Q6

Q18: 如何用雜湊比對兩份檔案？

• A簡: 計算各自摘要（如 SHA-256），值相同高度可能相同；安全場景再做二次確認或用簽章。
• A詳: 以流式方式計算兩檔摘要，若雜湊相同，表示極高機率內容相同。實務中可先用速度較快的雜湊初篩，再以強雜湊或二進位逐位比對確認，避免碰撞風險。在非對抗性場景（去重、快取）足夠；若牽涉安全與信任，應搭配簽章或受信通道分發摘要。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: C-Q3, C-Q8, B-Q6

Q19: 如何用雜湊保護 Cookie 或 URL 不被竄改？

• A簡: 使用 HMAC 對資料與到期時間簽名，伺服端驗證簽章即可偵測竄改與控制有效期。
• A詳: 構造待簽字串（包含重要欄位與截止時間），以 HMAC-SHA256 搭配伺服端祕密金鑰產生簽名，附於 Cookie 或 URL。伺服端收到後重算簽名並檢查時戳與逾時。透過正規化參數順序、使用 URL-safe 編碼與常數時間比較，可抵禦竄改與時序攻擊。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q16, B-Q9, C-Q2

Q20: 身分證最後一碼檢查碼算是雜湊嗎？

• A簡: 它類似簡化檢查碼機制，可用作格式與錯誤檢查，但不具密碼學強度。
• A詳: 身分證檢查碼由前面字母與數字依規則計算，能偵測輸入錯誤或亂填，性質近似校驗碼或弱雜湊。它缺乏單向性與抗碰撞保障，容易被反推或偽造，因此不可用於安全敏感的完整性或身份驗證，僅適合基本格式校驗用途。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q5, A-Q1, B-Q14

Q&A 類別 B: 技術原理類

Q1: 雜湊函數高階運作原理是什麼？

• A簡: 將輸入分塊後經壓縮函數迭代處理與填充，最終產生固定長度摘要。需具單向與抗碰撞特性。
• A詳: 多數雜湊採分塊與迭代設計。流程：1) 對輸入做填充（含長度資訊）；2) 以固定大小區塊餵入；3) 透過壓縮函數與內部狀態累積；4) 最終輸出固定長度摘要。經典架構如 Merkle–Damgård（SHA-2）與海綿結構（SHA-3）。核心組件包含：填充策略、常數表、輪函數與非線性混合。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q1, B-Q2, B-Q3

Q2: SHA-256 的執行流程為何？

• A簡: 將訊息填充成 512 位元塊，經 64 輪壓縮函數與訊息排程更新狀態，輸出 256 位元摘要。
• A詳: 流程：1) 附加 1 與 0 填充並附加長度；2) 分 512-bit 區塊；3) 為每塊建立 64 個 32-bit 字的訊息排程；4) 初始化 8 個工作變數；5) 進行 64 輪非線性混合（Ch、Maj、Σ 等）與常數加總；6) 將結果累加至鏈結狀態；7) 最終拼接輸出。核心組件：壓縮函數、常數表 K、初始向量 IV。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q12, B-Q10, C-Q3

Q3: SHA-3（Keccak）的海綿結構如何運作？

• A簡: 海綿結構交替吸收與擠出，內部以置換與非線性操作混合狀態，彈性輸出長度。
• A詳: Keccak 使用「海綿」架構：1) 吸收（Absorb）：將輸入分塊 XOR 進狀態；2) 置換（Permute）：多輪非線性轉換；3) 擠出（Squeeze）：從狀態讀出輸出，必要時重複置換以延伸輸出。核心組件：狀態寬度、速率/容量參數、置換輪。其安全性取決於容量大小與置換設計。
• 難度: 高級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q1, A-Q10, B-Q10

Q4: HMAC 的機制與步驟是什麼？

• A簡: 以金鑰與資料分別與 ipad/opad 混合，做內外層雜湊，產生驗證碼供接收端比對。
• A詳: 步驟：1) 規範化金鑰長度（過長先雜湊）；2) k ⊕ ipad 與訊息串接做內層雜湊；3) k ⊕ opad 與內層結果串接做外層雜湊；4) 得到 HMAC。核心組件：底層雜湊（SHA-256/512）、ipad/opad 常數、共享祕鑰。設計可抵長度延展攻擊，適合訊息驗證與完整性保護。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q16, C-Q2, B-Q19

Q5: 密碼雜湊（含 Salt 與延展）的流程如何設計？

• A簡: 生成隨機 salt，使用 PBKDF2/bcrypt/scrypt/Argon2 以設定成本參數計算雜湊，保存參數+salt+雜湊。
• A詳: 步驟：1) 產生高熵 salt；2) 選擇演算法與成本（迭代數、記憶體、平行度）；3) 雜湊密碼+salt（可含 pepper）；4) 儲存格式化字串（版本、演算法、成本、salt、雜湊）；5) 驗證時重建參數重算比較。核心組件：KDF（PBKDF2/Argon2）、CSPRNG、金鑰管理（pepper）。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q13, A-Q15, C-Q4

Q6: 檔案雜湊的串流與增量計算原理？

• A簡: 以固定大小緩衝逐塊讀取並更新雜湊狀態，節省記憶體並支援超大檔案。
• A詳: 雜湊 API 通常提供 update 接口，可反覆餵入資料塊。流程：1) 開檔；2) 以 64KB～1MB 讀取；3) 每塊呼叫 update；4) 完成後 digest。核心組件：緩衝大小、I/O 模式、雜湊上下文。增量計算可在資料流傳輸中並行驗證，避免一次載入全部檔案造成記憶體壓力。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: C-Q1, C-Q3, C-Q8

Q7: 去重系統基於雜湊的架構如何設計？

• A簡: 建索引（hash→位置/Meta），命中後二次驗證，處理碰撞與版本，支援批量掃描與壓縮。
• A詳: 架構：1) 掃描檔案計算強雜湊（SHA-256）；2) 在資料庫建立索引（hash→檔案清單/位置）；3) 命中後進行二進位比對或第二雜湊確認；4) 併發處理與分段掃描；5) 碰撞風險管理與版本標記。核心組件：雜湊引擎、索引存儲、重複決策策略、任務排程。
• 難度: 中級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: A-Q18, C-Q8, D-Q9

Q8: 數位簽章（RSA/ECDSA）與雜湊的技術流程？

• A簡: 先雜湊，再用私鑰簽摘要；驗證端重算摘要用公鑰驗章，比對成功視為可信。
• A詳: 流程：1) Canonicalize 資料；2) 計算雜湊（SHA-256）；3) 私鑰簽章（RSA-PSS/ECDSA）；4) 傳遞資料+簽章；5) 驗證端重算雜湊並用公鑰驗章。核心組件：金鑰對、簽章演算法與填充、雜湊函數、時間戳。避免直接簽原文或混用演算法，以免驗證失敗。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q17, C-Q7, D-Q7

Q9: 用雜湊保護 Cookie/URL 的技術設計？

• A簡: 以 HMAC 對規範化的資料與到期時間簽名，伺服端用相同金鑰驗證，防竄改/重放。
• A詳: 重要步驟：1) 排序/正規化參數（避免等價不同字串）；2) 加入到期時間與 nonce；3) HMAC-SHA256 生成簽名；4) 使用 URL-safe Base64；5) 驗證簽章、時間窗與重放。核心組件：金鑰管理、時間同步、常數時間比較、權限綁定（IP/UA）。避免使用裸雜湊或可被長度延展攻擊。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q19, C-Q2, D-Q4

Q10: 雜湊長度與安全位元的關係是？

• A簡: n 位元雜湊的碰撞安全約為 n/2 位元（生日界），前像安全約為 n 位元。
• A詳: 例如 SHA-256 的碰撞複雜度約 2^128，前像複雜度約 2^256。選擇摘要長度時，需滿足應用的安全壽命與攻擊者資源評估。對長期信任或高價值資產，選擇更長摘要（SHA-512/384）可提供更寬裕安全邊際，但也要兼顧效能與相容性。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q12, B-Q11, B-Q16

Q11: 生日攻擊如何影響碰撞安全？

• A簡: 生日悖論使得找到任意碰撞的期望成本為 2^(n/2)，遠低於 2^n 的直覺。
• A詳: 在 n 位元雜湊，任意兩者碰撞的機率成對數成長。攻擊者可透過大量嘗試集合，期望於約 2^(n/2) 次試驗找到碰撞。這就是為何碰撞安全位元僅為摘要長度的一半。設計時需考慮此界限，避免選擇過短雜湊或在多方交互中累積風險。
• 難度: 高級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q10, A-Q7, A-Q10

Q12: 為何雜湊前需資料正規化（Canonicalization）？

• A簡: 確保等價資料產生同一字串再雜湊，避免排序、空白、編碼差異導致驗證失敗。
• A詳: 輸入不同表示法（參數順序、大小寫、空白、Unicode 正規化、換行）會造成不同摘要。正規化把等價資料轉換為唯一表示：排序鍵值、修剪空白、規範大小寫、固定編碼（UTF-8）、一致換行（LF）、固定序列化（JSON Canonical Form）。這對 URL 簽名與跨語言一致性至關重要。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: C-Q2, D-Q1, D-Q4

Q13: 雜湊輸出常用編碼（Hex/Base64）差異？

• A簡: Hex 可讀性高但較長；Base64 較短但需小心 URL 安全版本。皆為表示法，非安全強度差異。
• A詳: 摘要本質為位元序列。十六進位每位代表 4 位元，易閱讀與比對；Base64 每字元 6 位元，較短更省空間。URL 場景常用 Base64URL（-_/不含=），跨語言需注意填充與大小寫。選擇編碼不改變雜湊安全強度，僅影響傳輸與相容性。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: C-Q2, C-Q3, D-Q8

Q14: 非密碼學雜湊（如 MurmurHash）適用在哪？

• A簡: 適合雜湊表分佈、分片與指紋初篩，不適合安全用途。抗碰撞不足。
• A詳: MurmurHash、xxHash 等追求速度與分佈，適用於資料結構（HashMap）、分散式分片、一致性哈希與去重初篩。它們缺乏密碼學強度，容易被惡意構造碰撞，導致 DOS 或安全繞過。安全場景應使用 HMAC 或 SHA-2/3。選擇依威脅模型決定。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q5, B-Q1, D-Q6

Q15: 什麼是滾動雜湊（Rolling Hash）？

• A簡: 可快速更新視窗雜湊值的演算法，用於字串搜尋、差異同步與內容定界。
• A詳: 滾動雜湊能在移動視窗時以 O(1) 更新，例如 Rabin-Karp 比對透過刪除舊字元貢獻、加入新字元計算新值。應用於 rsync、內容定界去重（CDC）。但它不具密碼學安全，僅適合演算法加速與資料處理，安全驗證需另用強雜湊或 HMAC。
• 難度: 高級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q6, B-Q7, A-Q5

Q16: 如何選擇 SHA-256 或 SHA-512？

• A簡: 依平台與安全邊際。64 位元平台常 SHA-512 較快；相容性與通用性多選 SHA-256。
• A詳: 若目標平台有 SHA-NI/64 位元優化，SHA-512 在吞吐與能效上可能佔優；行動或嵌入式平台則視硬體而定。安全需求多數場景兩者足夠，關鍵在正確設計（HMAC、正規化、常數時間比較）與端到端部署。也可選 SHA-512/256 取得較短輸出與 512 內核效益。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q12, B-Q10, C-Q3

Q17: 雜湊的效能優化與硬體加速有哪些？

• A簡: 使用最佳化函式庫（OpenSSL、libsodium）、CPU 指令（SHA-NI）、並行與零拷貝 I/O。
• A詳: 選擇經過硬體優化的實作（OpenSSL、BoringSSL、libsodium），利用 CPU 指令集（SHA-NI、ARMv8 SHA），並行處理多檔案、採流式與大緩衝讀取，減少系統呼叫。對 GPU/FPGA/ASIC 的支援則多用於研究或密碼猜測，安全系統應提升 KDF 成本抵抗此類加速。
• 難度: 中級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q6, D-Q6, C-Q8

Q18: Unicode 與換行符如何影響雜湊一致性？

• A簡: 編碼、正規化（NFC/NFD）、BOM 與 CRLF/LF 差異會導致不同摘要，需要規範。
• A詳: 同樣文字在不同平台/語言可能採不同 Unicode 正規化或含 BOM，文字檔換行有 CRLF（Windows）與 LF（Unix）差異。雜湊前應明確規範：採 UTF-8、移除 BOM、Normalize 至 NFC、統一 LF、固定序列化。跨語言處理時，避免隱式字串→位元組轉換。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q12, D-Q1, C-Q1

Q19: Hash、HMAC 與簽章在安全性上的界線？

• A簡: Hash 確認完整性；HMAC 驗證完整性與共享祕密身份；簽章提供公鑰身份與不可否認。
• A詳: 單純雜湊只能驗證資料是否改變，無法驗證誰產生。HMAC 在共享祕鑰模式下抵禦竄改與偽造，但無法區分雙方。數位簽章使用非對稱金鑰，第三方可驗證來源與不可否認。選擇取決於信任模型：同組織內服務間建議 HMAC，跨組織或公開驗證需簽章。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q4, A-Q16, A-Q17

Q20: URL 簽名的時間窗與防重放如何設計？

• A簡: 簽名中加入到期時間與 nonce，伺服端檢查時間窗並記錄已用 nonce 拒絕重放。
• A詳: 設計要點：1) 字串含 expires（Unix time）與 nonce；2) 短時間窗（如 5 分鐘）；3) 伺服端保存近期 nonce（LRU/布隆過濾器）；4) 檢查時間偏移與時鐘同步；5) 綁定重要欄位（方法、路徑、身分）。這樣可有效降低截獲重放與長期有效風險。
• 難度: 中級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q9, D-Q10, C-Q10

Q&A 類別 C: 實作應用類（10題）

Q1: 如何用 Python 計算字串與檔案的 SHA-256？

• A簡: 使用 hashlib 計算字串/串流檔案雜湊。注意統一編碼與分塊讀取大檔。
• A詳:
  • 實作步驟: 安裝 Python3；對字串使用 UTF-8 編碼；對檔案以 1MB 分塊讀取更新雜湊。
  • 程式碼:
    • 字串: import hashlib; hashlib.sha256(“msg”.encode(“utf-8”)).hexdigest()
    • 檔案: import hashlib h=hashlib.sha256() with open(“file”,”rb”) as f: for b in iter(lambda:f.read(1«20), b””): h.update(b) print(h.hexdigest())
  • 注意事項: 固定編碼 UTF-8；避免一次載入大檔；比對用常數時間比較；必要時用 SHA-512。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: B-Q6, D-Q1, C-Q3

Q2: 如何在 Node.js 產生並驗證 URL 的 HMAC-SHA256 簽名？

• A簡: 以金鑰對正規化字串簽名並附加到期時間；伺服端重算 HMAC 驗證與檢查時間窗。
• A詳:
  • 步驟: 1) 排序查詢參數；2) 串接方法/路徑/參數/expires；3) crypto.createHmac(“sha256”, key).update(str).digest(“base64url”)；4) 驗證端重算比對與檢查 expires。
  • 程式碼: const crypto=require(“crypto”); function sign(method,path,params,exp,key){ const q=new URLSearchParams(params); q.sort(); const s=[method.toUpperCase(),path,q.toString(),exp].join(“\n”); return crypto.createHmac(“sha256”,key).update(s).digest(“base64url”); }
  • 注意: 使用 Base64URL；常數時間比較；伺服端與客戶端時鐘同步；加上 nonce 防重放。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q9, B-Q12, D-Q4

Q3: 如何用命令列計算並驗證檔案雜湊？

• A簡: 使用 sha256sum 或 openssl dgst 產生與比對摘要；發布時附檔名 .sha256 檔。
• A詳:
  • 步驟: 1) 產生: sha256sum file > file.sha256；2) 驗證: sha256sum -c file.sha256；或 openssl dgst -sha256 file。
  • 範例: 產生: sha256sum my.iso > my.iso.sha256 驗證: sha256sum -c my.iso.sha256
  • 注意: 保護 .sha256 檔取得管道（TLS/簽章）；Windows 可用 CertUtil 或 PowerShell Get-FileHash；發布關鍵檔案建議同時提供簽章（.sig）。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: A-Q6, C-Q6, D-Q9

Q4: 如何用 Python Argon2 安全儲存與驗證密碼？

• A簡: 使用 argon2-cffi 生成含參數的雜湊字串，驗證時用 verify 比對。調整記憶體/迭代成本。
• A詳:
  • 步驟: pip install argon2-cffi；使用 PasswordHasher 設定 time_cost、memory_cost、parallelism；儲存回傳的雜湊字串。
  • 程式碼: from argon2 import PasswordHasher ph=PasswordHasher(time_cost=3, memory_cost=65536, parallelism=2) h=ph.hash(“P@ssw0rd!”) ph.verify(h, “P@ssw0rd!”)
  • 注意: 捕捉 VerifyMismatchError；定期調升成本；加入伺服端 pepper（不入庫）；禁止自訂鹽來源，交由庫生成。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q13, A-Q15, D-Q2

Q5: 如何用 Node.js PBKDF2-SHA256 雜湊與驗證密碼？

• A簡: 以隨機 salt 與足夠迭代數產生雜湊，存格式化字串；驗證時重建參數重算比對。
• A詳:
  • 程式碼: const crypto=require(“crypto”); function hash(pw){ const salt=crypto.randomBytes(16); const it=200000, dk=32; const h=crypto.pbkdf2Sync(pw,salt,it,”sha256”,dk); return pbkdf2$sha256$${it}$${salt.toString("hex")}$${h.toString("hex")}; } function verify(pw, rec){ const [, , algo, it, s, d]=rec.split(“$”); const salt=Buffer.from(s,”hex”); const h=crypto.pbkdf2Sync(pw,salt,parseInt(it),”sha256”,32); return crypto.timingSafeEqual(h, Buffer.from(d,”hex”)); }
  • 注意: 迭代數≥100k 依硬體調整；常數時間比較；儲存版本欄位便於日後升級。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q15, D-Q2, C-Q9

Q6: 如何建立檔案下載的完整性驗證（雜湊+簽章）？

• A簡: 發布 SHA-256 清單並用私鑰簽章；客戶端先驗簽清單，再檢查檔案雜湊。
• A詳:
  • 步驟: 1) 產生 hashes.txt（檔名=摘要）；2) 用 GPG/RSA 對清單簽章生成 .sig；3) 客戶端下載清單與簽章，先驗簽，再核對檔案摘要。
  • 指令: sha256sum *.tar.gz > hashes.txt；gpg –sign hashes.txt
  • 注意: 僅有雜湊不足，需信任來源；簽章公鑰需透過可信通道分發；處理鏡像站同步延遲。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q17, C-Q3, D-Q9

Q7: 如何用 Python cryptography 實作 RSA 簽章與驗證？

• A簡: 對資料雜湊並用私鑰 RSA-PSS 簽章，公鑰驗證。注意填充與雜湊一致。
• A詳:
  • 程式碼: from cryptography.hazmat.primitives import hashes from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding sig=priv.sign(data, padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()), salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH), hashes.SHA256()) pub.verify(sig, data, padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()), salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH), hashes.SHA256())
  • 步驟: 載入金鑰、規範化資料、選 SHA-256、簽章/驗章。
  • 注意: 不混用 PSS 與 PKCS#1 v1.5；資料要一致序列化；處理例外並回報。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q8, D-Q7, C-Q6

Q8: 如何寫一個檔案去重小工具（Python）？

• A簡: 掃描檔案計算 SHA-256，命中雜湊再做位元比對確認，輸出重複組。
• A詳:
  • 程式碼概要: import os,hashlib,filecmp m={} for root,_,files in os.walk(“root”): for fn in files: p=os.path.join(root,fn); h=hashlib.sha256(open(p,”rb”).read()).hexdigest() m.setdefault(h,[]).append(p) for k,v in m.items(): if len(v)>1: g=[v[0]]+[p for p in v[1:] if filecmp.cmp(v[0],p,shallow=False)] if len(g)>1: print(“dup:”,g)
  • 注意: 大檔用串流；可先用檔案大小初篩；命中後必做二進位比對以防碰撞；多執行緒提升效能。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q7, D-Q3, D-Q6

Q9: 如何實作防竄改 Cookie（HMAC + 過期）？

• A簡: 將資料與 expires 序列化後以 HMAC 簽名，Set-Cookie 時一併附上；驗證時重算比對。
• A詳:
  • Node/Express 範例: const val=JSON.stringify({uid:123,exp:Date.now()+300000}); const sig=crypto.createHmac(“sha256”,key).update(val).digest(“base64url”); res.cookie(“sess”, ${val}.${sig}, { httpOnly:true, secure:true, sameSite:”Lax” });
  • 驗證: 拆分 val 與 sig，重算 HMAC，檢查 exp。
  • 注意: 使用 httpOnly/secure；資料最小化；簽名先於加密（若有）；金鑰輪替機制。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q19, B-Q9, D-Q5

Q10: 如何為微服務請求加上簽名（HMAC + 時戳 + Nonce）？

• A簡: 客戶端在標頭附上 keyId、ts、nonce 與簽名；伺服端重算並檢查時間窗與重放。
• A詳:
  • 共同字串: METHOD\nPATH\nQuery\nBodyHash\nkeyId\nts\nnonce
  • 產生簽名: HMAC-SHA256(Base64URL)
  • 伺服端: 取出 keyId 取得金鑰→重算→常數時間比較→檢查 ts 在 300 秒內→nonce 未用過。
  • 注意: 正規化 Body（JSON Canonical）；金鑰管理與輪替；記錄 nonce（短期 TTL）。
• 難度: 中級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q20, D-Q10, B-Q12

Q&A 類別 D: 問題解決類（10題）

Q1: 計算雜湊在不同環境結果不一致怎麼辦？

• A簡: 檢查編碼、換行、BOM 與序列化差異；統一 UTF-8、LF 與 Canonical JSON 後重算。
• A詳:
  • 症狀: 相同資料跨語言/平台雜湊不同。
  • 可能原因: 字串編碼不同、Unicode 正規化差異、CRLF/LF、BOM、參數排序不同。
  • 解決步驟: 固定 UTF-8；Normalize=NFC；換行統一 LF；去 BOM；參數排序；固定序列化。
  • 預防: 訂定跨服務 canonical 規範，寫入測試與工具檢查。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q12, B-Q18, C-Q2

Q2: 密碼驗證總是失敗如何診斷？

• A簡: 確認保存了 salt 與參數，驗證重建相同 KDF，避免不同編碼或剪裁雜湊值。
• A詳:
  • 症狀: 使用者輸入正確密碼卻無法登入。
  • 原因: 遺失 salt/迭代數、字串編碼不符、使用不同 KDF、十六進位/Base64 混用。
  • 解法: 儲存格式化紀錄（演算法、成本、salt、hash）；驗證時重建；統一編碼；常數時間比較。
  • 預防: 採用成熟庫（Argon2/PBKDF2）與版本欄位；寫整合測試。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: C-Q4, C-Q5, A-Q13

Q3: 使用 MD5 導致資料被偽造或誤判相同怎麼辦？

• A簡: 立即改用 SHA-256/HMAC；對舊資料復核並加入二次比對或重新雜湊。
• A詳:
  • 症狀: 發現碰撞案例或重複檔案誤判。
  • 原因: MD5 抗碰撞不足，可被構造同摘要。
  • 解法: 轉換至 SHA-256/512；去重系統命中後做位元比對；安全驗證改 HMAC/簽章。
  • 預防: 安全場景禁用 MD5/SHA-1；定期安全審查與相依庫檢測。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q11, B-Q11, C-Q8

Q4: URL 簽名偶發驗證失敗怎處理？

• A簡: 檢查參數排序、編碼、空白與時鐘；統一 canonical 字串並設置合理時間窗。
• A詳:
  • 症狀: 同請求有時成功有時失敗。
  • 原因: 參數順序不一致、URL 編碼差異、空白/大小寫、時鐘不同步、使用 Base64 與 Base64URL 混淆。
  • 解法: 固定排序與編碼；雙方使用 Base64URL；比對前常數時間；同步 NTP。
  • 預防: 封裝簽名中介層與相容測試向量。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q12, C-Q2, B-Q20

Q5: Cookie 被竄改卻未偵測，原因是什麼？

• A簡: 只用裸雜湊或可推算簽名。改用 HMAC 並管理金鑰與到期機制。
• A詳:
  • 症狀: 攻擊者修改 Cookie 值仍通過驗證。
  • 原因: 使用裸雜湊、可預測簽名、無到期/綁定欄位、弱金鑰。
  • 解法: 改 HMAC-SHA256；簽名含到期與關鍵欄位；常數時間比較。
  • 預防: 金鑰輪替、縮短有效期、httpOnly/secure/sameSite。
• 難度: 初級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: A-Q16, C-Q9, B-Q9

Q6: 大量檔案雜湊效能不佳的原因？

• A簡: I/O 瓶頸、過小緩衝、單執行緒與未使用最佳化庫。需並行與硬體加速。
• A詳:
  • 症狀: 批次掃描耗時。
  • 原因: 磁碟 I/O 限制、緩衝設定不當、缺少多工、使用慢速實作。
  • 解法: 並行處理、增大讀取緩衝、批次 I/O、使用 OpenSSL/SHA-NI。
  • 預防: 基準測試、監視 I/O 與 CPU、合理分片與快取策略。
• 難度: 中級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q6, B-Q17, C-Q8

Q7: 數位簽章驗證常報錯如何排查？

• A簡: 比對演算法與填充是否一致、資料序列化一致、公私鑰是否匹配。
• A詳:
  • 症狀: verify 失敗或格式錯誤。
  • 原因: 使用不同填充（PSS vs PKCS#1 v1.5）、雜湊不一致、資料 canonical 不同、金鑰不匹配。
  • 解法: 兩端統一算法與參數；固定序列化；校驗金鑰指紋。
  • 預防: 明確 API 契約與測試向量；金鑰管理流程。
• 難度: 中級
• 學習階段: 核心
• 關聯概念: B-Q8, C-Q7, B-Q12

Q8: 雜湊儲存長度不一致或比對失敗？

• A簡: 檢查 Hex/Base64 表示法、大小寫、是否截斷。統一格式與比較方式。
• A詳:
  • 症狀: 同值不同長度或比對不相等。
  • 原因: 混用大小寫 Hex、Base64/URL 變體、去掉填充、截斷長度不同。
  • 解法: 規範儲存一種表示（建議 Base16 小寫）；比較前轉回位元組並常數時間比較。
  • 預防: 契約化欄位與驗證器；資料庫欄位長度足夠。
• 難度: 初級
• 學習階段: 基礎
• 關聯概念: B-Q13, C-Q2, C-Q3

Q9: 檔案完整性驗證的 TOCTOU 風險如何避免？

• A簡: 驗證後檔案可能被換包。採用原子移動、封存與再次驗證。
• A詳:
  • 症狀: 驗證通過但後續使用出現異常。
  • 原因: 驗證與使用之間檔案被替換（TOCTOU）。
  • 解法: 驗證於臨時目錄→原子 rename 到最終位置；使用前再次校驗；唯讀權限。
  • 預防: 使用簽章清單；最終讀取時校驗；限制寫入者。
• 難度: 中級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: C-Q3, C-Q6, B-Q7

Q10: 微服務簽名遭重放攻擊如何防禦？

• A簡: 在簽名中加入時戳與 nonce，伺服端保存短期使用記錄並檢查時間窗。
• A詳:
  • 症狀: 攻擊者複製合法請求重送仍通過。
  • 原因: 簽名不含時間與唯一性、伺服端未記錄。
  • 解法: 簽名含 ts 與 nonce；時間窗 5 分鐘；伺服端記錄已用 nonce；綁定身分/IP。
  • 預防: 同步 NTP；觀測與告警；金鑰輪替。
• 難度: 中級
• 學習階段: 進階
• 關聯概念: B-Q20, C-Q10, B-Q9

學習路徑索引

• 初學者：建議先學習哪 15 題
  • A-Q1: 什麼是雜湊（Hash）演算法？
  • A-Q2: 雜湊的核心特性有哪些？
  • A-Q3: 為什麼需要雜湊演算法？
  • A-Q4: 雜湊與加密有何差異？
  • A-Q5: 雜湊與檢查碼（CRC）差異是什麼？
  • A-Q6: 什麼是訊息摘要（Message Digest）？
  • A-Q10: 常見雜湊演算法有哪些？
  • A-Q11: MD5 與 SHA-1 還能用嗎？
  • A-Q12: SHA-256 與 SHA-512 有何差異？
  • A-Q18: 如何用雜湊比對兩份檔案？
  • C-Q1: 如何用 Python 計算字串與檔案的 SHA-256？
  • C-Q3: 如何用命令列計算並驗證檔案雜湊？
  • D-Q1: 計算雜湊在不同環境結果不一致怎麼辦？
  • D-Q3: 使用 MD5 導致資料被偽造或誤判相同怎麼辦？
  • A-Q20: 身分證最後一碼檢查碼算是雜湊嗎？
• 中級者：建議學習哪 20 題
  • A-Q7: 什麼是碰撞（Collision）？
  • A-Q8: 什麼是前像抗性與次前像抗性？
  • A-Q9: 什麼是雪崩效應（Avalanche effect）？
  • A-Q13: 什麼是鹽（Salt），為何要用在密碼雜湊？
  • A-Q15: 什麼是金鑰延展（Key Stretching）？
  • A-Q16: 什麼是 HMAC？為何比單純雜湊更安全？
  • A-Q17: 數位簽章與雜湊的關係是什麼？
  • B-Q1: 雜湊函數高階運作原理是什麼？
  • B-Q2: SHA-256 的執行流程為何？
  • B-Q4: HMAC 的機制與步驟是什麼？
  • B-Q6: 檔案雜湊的串流與增量計算原理？
  • B-Q12: 為何雜湊前需資料正規化？
  • B-Q13: 雜湊輸出常用編碼差異？
  • C-Q2: 如何在 Node.js 產生並驗證 URL 的 HMAC-SHA256 簽名？
  • C-Q4: 如何用 Python Argon2 安全儲存與驗證密碼？
  • C-Q5: 如何用 Node.js PBKDF2-SHA256 雜湊與驗證密碼？
  • C-Q6: 如何建立檔案下載的完整性驗證（雜湊+簽章）？
  • D-Q2: 密碼驗證總是失敗如何診斷？
  • D-Q4: URL 簽名偶發驗證失敗怎處理？
  • D-Q5: Cookie 被竄改卻未偵測，原因是什麼？
• 高級者：建議關注哪 15 題
  • B-Q3: SHA-3（Keccak）的海綿結構如何運作？
  • B-Q7: 去重系統基於雜湊的架構如何設計？
  • B-Q8: 數位簽章（RSA/ECDSA）與雜湊的技術流程？
  • B-Q10: 雜湊長度與安全位元的關係是？
  • B-Q11: 生日攻擊如何影響碰撞安全？
  • B-Q15: 什麼是滾動雜湊（Rolling Hash）？
  • B-Q16: 如何選擇 SHA-256 或 SHA-512？
  • B-Q17: 雜湊的效能優化與硬體加速有哪些？
  • B-Q19: Hash、HMAC 與簽章在安全性上的界線？
  • B-Q20: URL 簽名的時間窗與防重放如何設計？
  • C-Q7: 如何用 Python cryptography 實作 RSA 簽章與驗證？
  • C-Q8: 如何寫一個檔案去重小工具（Python）？
  • C-Q10: 如何為微服務請求加上簽名（HMAC + 時戳 + Nonce）？
  • D-Q6: 大量檔案雜湊效能不佳的原因？
  • D-Q9: 檔案完整性驗證的 TOCTOU 風險如何避免？