Использование хеша. Криптографическая хеш-функция

И т. п.). Выбор той или иной хеш-функции определяется спецификой решаемой задачи. Простейшими примерами хеш-функций могут служить контрольная сумма или CRC .

В общем случае однозначного соответствия между исходными данными и хеш-кодом нет. Поэтому существует множество массивов данных, дающих одинаковые хеш-коды - так называемые коллизии . Вероятность возникновения коллизий играет немаловажную роль в оценке «качества» хеш-функций.

Контрольные суммы

Несложные, крайне быстрые и легко реализуемые аппаратно алгоритмы, используемые для защиты от непреднамеренных искажений, в том числе ошибок аппаратуры.

По скорости вычисления в десятки и сотни раз быстрее, чем криптографические хеш-функции, и значительно проще в аппаратной реализации.

Платой за столь высокую скорость является отсутствие криптостойкости - легкая возможность подогнать сообщение под заранее известную сумму. Также обычно разрядность контрольных сумм (типичное число: 32 бита) ниже, чем криптографических хешей (типичные числа: 128, 160 и 256 бит), что означает возможность возникновения непреднамеренных коллизий.

Простейшим случаем такого алгоритма является деление сообщения на 32- или 16- битные слова и их суммирование, что применяется, например, в TCP/IP .

Как правило, к такому алгоритму предъявляются требования отслеживания типичных аппаратных ошибок, таких, как несколько подряд идущих ошибочных бит до заданной длины. Семейство алгоритмов т. н. «циклический избыточных кодов » удовлетворяет этим требованиям. К ним относится, например, CRC32 , применяемый в аппаратуре ZIP.

Криптографические хеш-функции

Среди множества существующих хеш-функций принято выделять криптографически стойкие , применяемые в криптографии . Криптостойкая хеш-функция прежде всего должна обладать стойкостью к коллизиям двух типов:

Применение хеширования

Хеш-функции также используются в некоторых структурах данных - хеш-таблицаx и декартовых деревьях . Требования к хеш-функции в этом случае другие:

• хорошая перемешиваемость данных
• быстрый алгоритм вычисления

Сверка данных

В общем случае это применение можно описать, как проверка некоторой информации на идентичность оригиналу, без использования оригинала. Для сверки используется хеш-значение проверяемой информации. Различают два основных направления этого применения:

Проверка на наличие ошибок

Например, контрольная сумма может быть передана по каналу связи вместе с основным текстом. На приёмном конце, контрольная сумма может быть рассчитана заново и её можно сравнить с переданным значением. Если будет обнаружено расхождение, то это значит, что при передаче возникли искажения и можно запросить повтор.

Бытовым аналогом хеширования в данном случае может служить приём, когда при переездах в памяти держат количество мест багажа. Тогда для проверки не нужно вспоминать про каждый чемодан, а достаточно их посчитать. Совпадение будет означать, что ни один чемодан не потерян. То есть, количество мест багажа является его хеш-кодом.

Проверка парольной фразы

В большинстве случаев парольные фразы не хранятся на целевых объектах, хранятся лишь их хеш-значения. Хранить парольные фразы нецелесообразно, так как в случае несанкционированного доступа к файлу с фразами злоумышленник узнает все парольные фразы и сразу сможет ими воспользоваться, а при хранении хеш-значений он узнает лишь хеш-значения, которые не обратимы в исходные данные, в данном случае в парольную фразу. В ходе процедуры аутентификации вычисляется хеш-значение введённой парольной фразы, и сравнивается с сохранённым.

Примером в данном случае могут служить ОС GNU/Linux и Microsoft Windows XP . В них хранятся лишь хеш-значения парольных фраз из учётных записей пользователей.

Ускорение поиска данных

Например, при записи текстовых полей в базе данных может рассчитываться их хеш код и данные могут помещаться в раздел, соответствующий этому хеш-коду. Тогда при поиске данных надо будет сначала вычислить хеш-код текста и сразу станет известно, в каком разделе их надо искать, то есть, искать надо будет не по всей базе, а только по одному её разделу (это сильно ускоряет поиск).

Бытовым аналогом хеширования в данном случае может служить помещение слов в словаре по алфавиту. Первая буква слова является его хеш-кодом, и при поиске мы просматриваем не весь словарь, а только нужную букву.

Список алгоритмов

• SHA-2 (SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512)
• RIPEMD-160
• RIPEMD-320
• Snefru
• Tiger (Whirlpool
• IP Internet Checksum (RFC 1071)

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Хэш код" в других словарях:

Хэш-код - результат арифметической комбинации со всеми байтами программного кода или набора данных. Результат алгоритма хэширования включает только некоторые байты, а алгоритм построен таким образом, что любая модификация кода программы или данных с… … Официальная терминология

Хэш-код - результат арифметической комбинации со всеми байтами программного кода или набора данных. Результат алгоритма хеширования включает только некоторые байты, а алгоритм построен таким образом, что любая модификация кода программы или данных с… …

код аутентификации сообщения, использующий хэш-функцию - (МСЭ Т Н.235.3, МСЭ Т Н.235.1). Тематики электросвязь, основные понятия EN hashed message authentication codeHMAC … Справочник технического переводчика

В программировании хеш таблица это структура данных, реализующая интерфейс ассоциативного массива, а именно, она позволяет хранить пары (ключ, значение) и выполнять три операции: операцию добавления новой пары, операцию поиска и операцию удаления … Википедия

MAC (имитовставка, англ. message authentication code код аутентичности сообщения) средство обеспечения имитозащиты в протоколах аутентификации сообщений с доверяющими друг другу участниками специальный набор символов, который добавляется к… … Википедия

Хеширование (иногда хэширование, англ. hashing) преобразование входного массива данных произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш функциями или функциями свёртки, а их результаты… … Википедия

Эта статья о коде. О методе мозгового штурма см. CRC карта. Циклический избыточный код (англ. Cyclic redundancy check, CRC) алгоритм вычисления контрольной суммы, предназначенный для проверки целостности… … Википедия

- (сокращение от англ. hash based message authentication code, хеш код аутентификации сообщений). Наличие способа проверить целостность информации, передаваемой или хранящийся в ненадежной среде является неотъемлемой и необходимой частью мира… … Википедия

МИ 2891-2004: Рекомендация. ГСОЕИ. Общие требования к программному обеспечению средств измерений - Терминология МИ 2891 2004: Рекомендация. ГСОЕИ. Общие требования к программному обеспечению средств измерений: Данные измерительная информация, представленная в виде, пригодном для передачи, интерпретации или обработки. Определения термина из… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

В рамках данной статьи, я расскажу вам что такое Хэш , зачем он нужен, где и как применяется, а так же наиболее известные примеры.

Многие задачи в области информационных технологий весьма критичны к объемам данных. Например, если нужно сравнить между собой два файла размером по 1 Кб и два файла по 10 Гб, то это совершенно разное время. Поэтому алгоритмы, позволяющие оперировать более короткими и емкими значениями, считаются весьма востребованными.

Одной из таких технологий является Хэширование, которое нашло свое применение при решении массы задач. Но, думаю вам, как обычному пользователю, все еще непонятно, что же это за зверь такой и для чего он нужен. Поэтому далее я постараюсь объяснить все наиболее простыми словами.

Примечание : Материал рассчитан на обычных пользователей и не содержит многих технических аспектов, однако для базового ознакомления его более, чем достаточно.

Что такое Хэш или Хэширование?

Начну с терминов.

Хэш-функция, Функция свертки - это специального вида функция, которая позволяет преобразовывать произвольной длины тексты к коду фиксированной длины (обычно, короткая цифро-буквенная запись).

Хэширование - это сам процесс преобразования исходных текстов.

Хэш, Хеш-код, Значение Хэш, Хэш-сумма - это выходное значение Хэш-функции, то есть полученный блок фиксированный длины.

Как видите, у терминов несколько образное описание, из которого сложно понять для чего это все нужно. Поэтому сразу приведу небольшой пример (об остальных применениях расскажу чуть позже). Допустим, у вас есть 2 файла размером 10 Гб. Как можно быстро узнать какой из них нужный? Можно использовать имя файла, но его легко переименовать. Можно смотреть даты, но после копирования файлов даты могут быть одинаковыми или в иной последовательности. Размер, как сами понимаете, мало чем может помочь (особенно, если размеры совпадают или вы не смотрели точные значения байтов).

Вот тут-то и нужен этот самый Хэш, который представляет собой короткий блок, формирующийся из исходного текста файла. У этих двух файлов по 10 Гб будет два разных, но коротких Хэш-кода (что-то вроде "ACCAC43535" и "BBB3232A42"). Используя их, можно будет быстро узнать нужный файл, даже после копирования и смены имен.

Примечание : В связи с тем, что Хэш в компьютером мире и в интернете весьма известное понятие, то нередко все то, что имеет отношение к Хэшу, сокращают до этого самого слова. Например, фраза "у меня используется Хэш MD5" в переводе означает, что на сайте или где-то еще используется алгоритм хэширования стандарта MD5.

Свойства Хеш-функций

Теперь, расскажу о свойствах Хэш-функций, чтобы вам было легче понять где применяется и для чего нужно Хэширование. Но, сначала еще одно определение.

Коллизия - это ситуация, когда для двух разных текстов получается одна и та же Хэш-сумма. Как сами понимаете, раз блок фиксированной длины, то он имеет ограниченное число возможных значений, а следовательно возможны повторы.

А теперь к самим свойствам Хэш-функций:

1. На вход может подаваться текст любого размера, а на выходе получается блок данных фиксированной длины. Это следует из определения.

2. Хэш-сумма одних и тех же текстов должна быть одинаковой. В противном случае, такие функции просто бесполезны - это аналогично случайному числу.

3. Хорошая функция свертки должна иметь хорошее распределение. Согласитесь, что если размер выходного Хэша, к примеру, 16 байт, то если функция возвращает всего 3 разных значения для любых текстов, то толку от такой функции и этих 16 байт никакого (16 байт это 2^128 вариантов, что примерно равно 3,4 * 10^38 степени).

4. Как хорошо функция реагирует на малейшие изменения в исходном тексте. Простой пример. Поменяли 1 букву в файле размером 10 Гб, значение функции должно стать другим. Если же это не так, то применять такую функцию весьма проблематично.

5. Вероятность возникновения коллизии. Весьма сложный параметр, рассчитываемый при определенных условиях. Но, суть его в том, что какой смысл от Хэш-функции, если полученная Хэш-сумма будет часто совпадать.

6. Скорость вычисления Хэша. Какой толк от функции свертки, если она будет долго вычисляться? Никакой, ведь тогда проще данные файлов сравнивать или использовать иной подход.

7. Сложность восстановления исходных данных из значения Хэша. Эта характеристика больше специфическая, нежели общая, так как не везде требуется подобное. Однако, для наиболее известных алгоритмов эта характеристика оценивается. Например, исходный файл вы вряд ли сможете получить из этой функции. Однако, если имеет место проблема коллизий (к примеру, нужно найти любой текст, который соответствует такому Хэшу), то такая характеристика может быть важной. Например, пароли, но о них чуть позже.

8. Открыт или закрыт исходный код такой функции. Если код не является открытым, то сложность восстановления данных, а именно криптостойкость, остается под вопросом. Отчасти, это проблема как с шифрованием .

Вот теперь можно переходить к вопросу "а для чего это все?".

Зачем нужен Хэш?

Основные цели у Хэш-функций всего три (вернее их предназначения).

1. Проверка целостности данных. В данном случае все просто, такая функция должна вычисляться быстро и позволять так же быстро проверить, что, к примеру, скачанный из интернета файл не был поврежден во время передачи.

2. Рост скорости поиска данных. Фиксированный размер блока позволяет получить немало преимуществ в решении задач поиска. В данном случае, речь идет о том, что, чисто технически, использование Хэш-функций может положительно сказываться на производительности. Для таких функций весьма важное значение представляют вероятность возникновения коллизий и хорошее распределение.

3. Для криптографических нужд. Данный вид функций свертки применяется в тех областях безопасности, где важно чтобы результаты сложно было подменить или где необходимо максимально усложнить задачу получения полезной информации из Хэша.

Где и как применяется Хэш?

Как вы, вероятно, уже догадались Хэш применяется при решении очень многих задач. Вот несколько из них:

1. Пароли обычно хранятся не в открытом виде, а в виде Хэш-сумм, что позволяет обеспечить более высокую степень безопасности. Ведь даже если злоумышленник получит доступ к такой БД, ему еще придется немало времени потратить, чтобы подобрать к этим Хэш-кодам соответствующие тексты. Вот тут и важна характеристика "сложность восстановления исходных данных из значений Хэша".

Примечание : Советую ознакомиться со статьей пара советов для повышения уровня безопасности паролей .

2. В программировании, включая базы данных. Конечно же, чаще всего речь идет о структурах данных, позволяющих осуществлять быстрый поиск. Чисто технический аспект.

3. При передачи данных по сети (включая Интернет). Многие протоколы, такие как TCP/IP, включают в себя специальные проверочные поля, содержащие Хэш-сумму исходного сообщения, чтобы если где-то произошел сбой, то это не повлияло на передачу данных.

4. Для различных алгоритмов, связанных с безопасностью. Например, Хэш применяется в электронных цифровых подписях.

5. Для проверки целостности файлов. Если обращали внимание, то нередко в интернете можно встретить у файлов (к примеру, архивы) дополнительные описания с Хэш-кодом. Эта мера применяется не только для того, чтобы вы случайно не запустили файл, который повредился при скачивании из Интернета, но и бывают просто сбои на хостингах . В таких случаях, можно быстро проверить Хэш и если требуется, то перезалить файл.

6. Иногда, Хэш-функции применяются для создания уникальных идентификаторов (как часть). Например, при сохранении картинок или просто файлов, обычно используют Хэш в именах совместно с датой и временем. Это позволяет не перезаписывать файлы с одинаковыми именами.

На самом деле, чем дальше, тем чаще Хэш-функции применяются в информационных технологиях. В основном из-за того, что объемы данных и мощности самых простых компьютеров сильно возрасли. В первом случае, речь больше о поиске, а во втором речь больше о вопросах безопасности.

Известные Хэш-функции

Самыми известными считаются следующие три Хэш-функции.

Рассмотренные нами алгоритмы поиска обычно основаны на абстрактной операции сравнения. Из этого ряда существенно выделяется метод распределяющего поиска, описанный в "Таблицы символов и деревья бинарного поиска" , при котором элемент с ключом i хранится в i-ой позиции таблицы, что позволяет обратиться к нему непосредственно. При распределяющем поиске значения ключей используются в качестве индексов массива, а не операндов операции сравнения; сам метод основан на том, что ключи являются различными целыми числами из того же диапазона, что и индексы таблицы. В этой главе мы рассмотрим хеширование ( hashing ) - расширенный вариант распределяющего поиска, применяемый в более типичных приложениях поиска, где ключи не обладают столь удобными свойствами. Конечный результат применения данного подхода совершенно не похож на методы, основанные на сравнении - вместо перемещения по структурам данных словаря с помощью сравнения ключей поиска с ключами в элементах, мы пытаемся обратиться к элементам в таблице непосредственно, выполняя арифметическое преобразование ключей в адреса таблицы.

Алгоритмы поиска, использующие хеширование , состоят из двух отдельных частей. Первый шаг - вычисление хеш-функции ( hash function ), которая преобразует ключ поиска в адрес в таблице. В идеале различные ключи должны были бы отображаться на различные адреса, но часто два или более различных ключа могут дать один и тот же адрес в таблице. Поэтому вторая часть поиска методом хеширования - процесс разрешения коллизий ( collision resolution ), который обрабатывает такие ключи. В одном из методов разрешения конфликтов, который мы рассмотрим в этой главе, используются связные списки, поэтому он находит непосредственное применение в динамических ситуациях, когда трудно заранее предугадать количество ключей поиска. В других двух методах разрешения коллизий достигается высокая производительность поиска, поскольку элементы хранятся в фиксированном массиве. Мы рассмотрим способ усовершенствования этих методов, позволяющий использовать их и в тех случаях, когда нельзя заранее предсказать размеры таблицы.

Хеширование - хороший пример баланса между временем и объемом памяти. Если бы не было ограничения на объем используемой памяти, любой поиск можно было бы выполнить с помощью всего лишь одного обращения к памяти, просто используя ключ в качестве адреса памяти, как при распределяющем поиске. Однако обычно этот идеальный случай недостижим, поскольку для длинных ключей может потребоваться огромный объем памяти. С другой стороны, если бы не было ограничений на время выполнения , можно было бы обойтись минимальным объемом памяти, пользуясь методом последовательного поиска. Хеширование представляет собой способ использования приемлемого объема как памяти, так и времени, и достижения баланса между этими двумя крайними требованиями. В частности, можно поддерживать любой баланс, просто меняя размер таблицы, а не переписывая код и не выбирая другие алгоритмы.

Хеширование - одна из классических задач компьютерных наук: его различные алгоритмы подробно исследованы и находят широкое применение. Мы увидим, что при совсем не жестких допущениях можно надеяться на поддержку операций найти и вставить в таблицах символов с постоянным временем выполнения, независимо от размера таблицы.

Это ожидаемое значение - теоретический оптимум производительности для любой реализации таблицы символов, но хеширование все же не является панацеей по двум основным причинам. Во-первых, время выполнения зависит от длины ключа, которая в реальных приложениях, использующих длинные ключи, может быть значительной. Во-вторых, хеширование не обеспечивает эффективные реализации других операций с таблицами символов, таких, как выбрать или сортировать. В этой главе мы подробно рассмотрим эти и другие вопросы.

Хеш-функции

Прежде всего необходимо решить задачу вычисления хеш-функции, преобразующей ключи в адреса таблицы. Обычно реализация этого арифметического вычисления не представляет сложности, но все же необходимо соблюдать осторожность, чтобы не нарваться на различные малозаметные подводные камни. При наличии таблицы, которая может содержать M элементов, нужна функция, преобразующая ключи в целые числа в диапазоне . Идеальная хеш-функция должна легко вычисляться и быть похожей на случайную функцию: для любых аргументов результаты в некотором смысле должны быть равновероятными.

Хеш-функция зависит от типа ключа. Строго говоря, для каждого возможного вида ключей требуется отдельная хеш-функция. Для повышения эффективности обычно желательно избегать явного преобразования типов, обратившись вместо этого к идее рассмотрения двоичного представления ключей в машинном слове в виде целого числа, которое можно использовать в арифметических вычислениях. Хеширование появилось до языков высокого уровня - на ранних компьютерах было обычным делом рассматривать какое-либо значение то как строковый ключ, то как целое число. В некоторых языках высокого уровня затруднительно создавать программы, которые зависят от представления ключей в конкретном компьютере, поскольку такие программы, по сути, являются машинно-зависимыми, и поэтому их трудно перенести на другой компьютер. Обычно хеш-функции зависят от процесса преобразования ключей в целые числа, поэтому в реализациях хеширования бывает трудно одновременно обеспечить и машинную независимость, и эффективность. Как правило, простые целочисленные ключи или ключи типа с плавающей точкой можно преобразовать с помощью всего одной машинной операции, но строковые ключи и другие типы составных ключей требуют больших затрат и большего внимания к эффективности.

Вероятно, простейшей является ситуация, когда ключами являются числа с плавающей точкой из фиксированного диапазона. Например, если ключи - числа, большие 0 и меньшие 1, их можно просто умножить на M, округлить результат до меньшего целого числа и получить адрес в диапазоне между 0 и M - 1 ; такой пример показан на рис. 14.1 . Если ключи больше s и меньше t, их можно масштабировать, вычтя s и разделив на t-s , в результате чего они попадут в диапазон значений между 0 и 1, а затем умножить на M и получить адрес в таблице.

Рис. 14.1.

Для преобразования чисел с плавающей точкой в диапазоне между 0 и 1 в индексы таблицы, размер которой равен 97, выполняется умножение этих чисел на 97. В данном примере произошло три коллизии: для индексов, равных 17, 53 и 76. Хеш-значения определяются старшими разрядами ключа, младшие разряды не играют никакой роли. Одна из целей разработки хеш-функции - устранение такого дисбаланса, чтобы во время вычисления учитывался каждый разряд.

Если ключи являются w-разрядными целыми числами, их можно преобразовать в числа с плавающей точкой и разделить на 2 w для получения чисел с плавающей точкой в диапазоне между 0 и 1, а затем умножить на M, как в предыдущем абзаце. Если операции с плавающей точкой занимают много времени, а числа не столь велики, чтобы привести к переполнению, этот же результат может быть получен с помощью целочисленных арифметических операций: нужно ключ умножить на M, а затем выполнить сдвиг вправо на w разрядов для деления на 2 w (или, если умножение приводит к переполнению, выполнить сдвиг, а затем умножение). Такие методы бесполезны для хеширования, если только ключи не распределены по диапазону равномерно, поскольку хеш-значение определяется только ведущими цифрами ключа.

Более простой и эффективный метод для w-разрядных целых чисел - один из, пожалуй, наиболее часто используемых методов хеширования - выбор в качестве размера M таблицы простого числа и вычисление остатка от деления к на M, т.е. h(k) = k mod M для любого целочисленного ключа k. Такая функция называется модульной хеш-функцией. Ее очень просто вычислить (k % M в языке C++), и она эффективна для достижения равномерного распределения значений ключей между значениями, меньшими M. Небольшой пример показан на рис. 14.2 .

Рис. 14.2.

В трех правых столбцах показан результат хеширования 16-разрядных ключей, приведенных слева, с помощью следующих функций:

v % 97 (слева)

v % 100 (в центре) и

(int) (a * v) % 100 (справа),

где a = .618033 . Размеры таблицы для этих функций соответственно равны 97, 100 и 100. Значения выглядят случайными (поскольку случайны ключи). Вторая функция (v % 100 ) использует лишь две крайние правые цифры ключей и поэтому для неслучайных ключей может показывать низкую производительность.

Модульное хеширование применимо и к ключам с плавающей точкой. Если ключи принадлежат небольшому диапазону, можно масштабировать их в числа из диапазона между 0 и 1, 2 w для получения w-разрядных целочисленных значений, а затем использовать модульную хеш-функцию. Другой вариант - просто использовать в качестве операнда модульной хеш-функции двоичное представление ключа (если оно доступно).

Модульное хеширование применяется во всех случаях, когда имеется доступ к битам, из которых состоят ключи, независимо от того, являются ли они целыми числами, представленными машинным словом, последовательностью символов, упакованных в машинное слово, или представлены любым другим возможным вариантом. Последовательность случайных символов, упакованная в машинное слово - не совсем то же, что случайные целочисленные ключи, поскольку не все разряды используются для кодирования. Но оба эти типа (и любой другой тип ключа, закодированный так, чтобы уместиться в машинном слове) можно заставить выглядеть случайными индексами в небольшой таблице.

Основная причина выбора в качестве размера M хеш-таблицы простого числа для модульного хеширования показана на рис. 14.3 . В этом примере символьных данных с 7-разрядным кодированием ключ трактуется как число с основанием 128 - по одной цифре для каждого символа в ключе. Слово now соответствует числу 1816567, которое может быть также записано как

поскольку в ASCII-коде символам n, o и w соответствуют числа 1568 = 110 , 1578 = 111 и 1678 = 119 . Выбор размера таблицы M = 64 для этого типа ключа неудачен, поскольку добавление к х значений, кратных 64 (или 128), не меняет значение х mod 64 - для любого ключа значением хеш-функции является значение последних 6 разрядов этого ключа. Безусловно, хорошая хеш-функция должна учитывать все разряды ключа, особенно для символьных ключей. Аналогичные ситуации могут возникать, когда M содержит множитель, являющийся степенью 2. Простейший способ избежать этого - выбрать в качестве M простое число.

Рис. 14.3.

В каждой строке этой таблицы приведены: 3-буквенное слово, представление этого слова в ASCII-коде как 21-битовое число в восьмеричной и десятичной формах и стандартные модульные хеш-функции для размеров таблиц 64 и 31 (два крайних справа столбца). Размер таблицы 64 приводит к нежелательным результатам, поскольку для получения хеш-значения используются только самые правые разряды ключа, а буквы в словах обычного языка распределены неравномерно. Например, всем словам, оканчивающимся на букву у, соответствует хеш-значение 57. И, напротив, простое значение 31 вызывает меньше коллизий в таблице более чем вдвое меньшего размера.

Модульное хеширование очень просто реализовать, за исключением того, что размер таблицы должен быть простым числом. Для некоторых приложений можно довольствоваться небольшим известным простым числом или же поискать в списке известных простых чисел такое, которое близко к требуемому размеру таблицы. Например, числа равные 2 t - 1, являются простыми при t = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19 и 31 (и ни при каких других значениях t < 31 ): это известные простые числа Мерсенна. Чтобы динамически распределить таблицу нужного размера, нужно вычислить простое число, близкое к этому значению. Такое вычисление нетривиально (хотя для этого и существует остроумный алгоритм, который будет рассмотрен в части 5), поэтому на практике обычно используют таблицу заранее вычисленных значений (см. рис. 14.4). Использование модульного хеширования - не единственная причина, по которой размер таблицы стоит сделать простым числом; еще одна причина рассматривается в разделе 14.4.

Рис. 14.4.

Эта таблица наибольших простых чисел, меньших 2 n , для , может использоваться для динамического распределения хеш-таблицы, когда нужно, чтобы размер таблицы был простым числом. Для любого данного положительного значения в охваченном диапазоне эту таблицу можно использовать для определения простого числа, отличающегося от него менее чем в 2 раза.

Другой вариант обработки целочисленных ключей - объединение мультипликативного и модульного методов: нужно умножить ключ на константу в диапазоне между 0 и 1, а затем выполнить деление по модулю M. Другими словами, необходимо использовать функцию . Между значениями , M и эффективным основанием системы счисления ключа существует взаимосвязь, которая теоретически могла бы привести к аномальному поведению, но если использовать произвольное значение a, в реальном приложении вряд ли возникнет какая-либо проблема. Часто в качестве a выбирают значение ф = 0,618033... (золотое сечение).

Изучено множество других вариаций на эту тему, в частности, хеш-функции, которые могут быть реализованы с помощью таких эффективных машинных инструкций, как сдвиг и выделение по маске (см. раздел ссылок).

Во многих приложениях, в которых используются таблицы символов, ключи не являются числами и не обязательно являются короткими; чаще это алфавитно-цифровые строки, которые могут быть весьма длинными. Ну и как вычислить хеш-функцию для такого слова, как averylongkey?

В 7-разрядном ASCII-коде этому слову соответствует 84-разрядное число \begin{align*} 97 \cdot 128^{11} &+ 118 \cdot 128^{10} + 101 \cdot 128^{9} + 114 \cdot 128^{8} + 121 \cdot 128^{7}\\ &+ 108 \cdot 128^{6} + 111 \cdot 128^{5} + 110 \cdot 128^{4} + 103 \cdot 128^{3}\\ &+ 107 \cdot 128^{2} + 101 \cdot 128^{1} + 121 \cdot 128^{0}, \end{align*},

которое слишком велико, чтобы с ним можно было выполнять обычные арифметические функции в большинстве компьютеров. А зачастую требуется обрабатывать и гораздо более длинные ключи.

Чтобы вычислить модульную хеш-функцию для длинных ключей, они преобразуются фрагмент за фрагментом. Можно воспользоваться арифметическими свойствами функции модуля и использовать алгоритм Горнера (см. раздел 4.9 "Абстрактные типы данных"). Этот метод основан на еще одном способе записи чисел, соответствующих ключам. Для рассматриваемого примера запишем следующее выражение: \begin{align*} ((((((((((97 \cdot 128^{11} &+ 118) \cdot 128^{10} + 101) \cdot 128^{9} + 114) \cdot 128^{8} + 121) \cdot 128^{7}\\ &+ 108) \cdot 128^{6} + 111) \cdot 128^{5} + 110) \cdot 128^{4} + 103) \cdot 128^{3}\\ &+ 107) \cdot 128^{2} + 101) \cdot 128^{1} + 121. \end{align*}

То есть десятичное число, соответствующее символьной кодировке строки, можно вычислить при просмотре ее слева направо, умножая накопленное значение на 128, а затем добавляя кодовое значение следующего символа. В случае длинной строки этот способ вычисления в конце концов приведет к числу, большему того, которое вообще можно представить в компьютере. Однако это число и не нужно, поскольку требуется только (небольшой) остаток от его деления на M. Результат можно получить, даже не сохраняя большое накопленное значение, т.к. в любой момент вычисления можно отбросить число, кратное M - при каждом выполнении умножения и сложения нужно хранить только остаток от деления по модулю M. Результат будет таким же, как если бы у нас имелась возможность вычислить длинное число, а затем выполнять деление (см. упражнение 14.10). Это наблюдение ведет к непосредственному арифметическому способу вычисления модульных хеш-функций для длинных строк - см. программу 14.1. В этой программе используется еще одно, последнее ухищрение: вместо основания 128 в ней используется простое число 127. Причина этого изменения рассматривается в следующем абзаце.

Существует множество способов вычисления хеш-функций приблизительно с теми же затратами, что и для модульного хеширования с использованием метода Горнера (одна-две арифметические операции для каждого символа в ключе). Для случайных ключей эти методы практически не отличаются друг от друга, но реальные ключи редко бывают случайными. Возможность ценой небольших затрат придать реальным ключам случайный вид приводит к рассмотрению рандомизированных алгоритмов хеширования, поскольку нам требуются хеш-функции, которые создают случайные индексы таблицы независимо от распределения ключей. Рандомизацию организовать нетрудно, поскольку вовсе не требуется буквально придерживаться определения модульного хеширования - нужно всего лишь, чтобы в вычислении целого числа, меньшего M, использовались все разряды ключа.

Программа 14.1. Хеш-функция для строковых ключей

M = 96 и a = 128 (вверху),

M = 97 и a = 128 (в центре) и

M = 96 и a = 127 (внизу)

Неравномерное распределение в первом случае является результатом неравномерного употребления букв и сохранения неравномерности из-за того, что и размер таблицы, и множитель кратны 32. Два других примера выглядят случайными, поскольку размер таблицы и множитель являются взаимно простыми числами.

В программе 14.1 показан один из способов сделать это: использование простого основания вместо степени 2 и целого числа, соответствующего ASCII-представлению строки. На рис. 14.5 рис. 14.5 показано, как это изменение улучшает распределение для типичных строковых ключей. Теоретически хеш-значения, созданные программой 14.1, могут давать плохие результаты для размеров таблицы, которые кратны 127 (хотя на практике это, скорее всего, будет почти незаметно); для создания рандомизированного алгоритма можно было бы выбрать значение множителя наугад. Еще более эффективный подход - использование случайных значений коэффициентов в вычислении и различных случайных значений для каждой цифры ключа. Такой подход дает рандомизированный алгоритм, называемый универсальным хешированием (universal hashing).

Теоретически идеальная универсальная хеш-функция - это функция, для которой вероятность коллизии между двумя различными ключами в таблице размером M в точности равна 1/M. Можно доказать, что использование в качестве коэффициента а в программе 14.1 не фиксированного произвольного значения, а последовательности случайных различных значений преобразует модульное хеширование в универсальную хеш-функцию. Однако затраты на генерирование нового случайного числа для каждого символа в ключе обычно неприемлемы. На практике можно достичь компромисса, показанного в программе 14.1, не храня массив различных случайных чисел для каждого символа ключа, а варьируя коэффициенты с помощью генерации простой псевдослучайной последовательности.

Подведем итоги: чтобы для реализации абстрактной таблицы символов использовать хеширование, сначала необходимо расширить интерфейс абстрактного типа, включив в него операцию hash, которая отображает ключи на неотрицательные целые числа, меньшие размера таблицы M.

Для решения задачи поиска необходимого элемента среди данных большого объема был предложен алгоритм хеширования (hashing – перемешивание), при котором создаются ключи, определяющие данные массива и на их основании данные записываются в таблицу, названную хеш-таблицей . Ключи для записи определяются при помощи функции i = h (key ) , называемой хеш-функцией . Алгоритм хеширования определяет положение искомого элемента в хеш-таблице по значению его ключа, полученного хеш-функцией.

Понятие хеширования– это разбиение общего (базового) набора уникальных ключей элементов данных на непересекающиеся наборы с определенным свойством.

Возьмем, например, словарь или энциклопедию. В этом случае буквы алфавита могут быть приняты за ключи поиска, т.е. основным элементом алгоритма хеширования является ключ (key ). В большинстве приложений ключ обеспечивает косвенную ссылку на данные.

Фактически хеширование – это специальный метод адресации данных для быстрого поиска нужной информации по ключам .

Если базовый набор содержит N элементов, то его можно разбить на 2 N различных подмножеств.

Хеш-таблица и хеш-функции

Функция, отображающая ключи элементов данных во множество целых чисел (индексы в таблице – хеш-таблица ), называется функцией хеширования , или хеш-функцией :

i = h (key );

где key – преобразуемый ключ, i – получаемый индекс таблицы, т.е. ключ отображается во множество целых чисел (хеш-адреса ), которые впоследствии используются для доступа к данным.

Однако хеш-функция для нескольких значений ключа может давать одинаковое значение позиции i в таблице. Ситуация, при которой два или более ключа получают один и тот же индекс (хеш-адрес), называется коллизией при хешировании.

Хорошей хеш-функцией считается такая функция, которая минимизирует коллизии и распределяет данные равномерно по всей таблице, а совершенной хеш-функцией – функция, которая не порождает коллизий:

Разрешить коллизии при хешировании можно двумя методами:

– методом открытой адресации с линейным опробыванием;

– методом цепочек.

Хеш-таблица

Хеш-таблица представляет собой обычный массив с необычной адресацией, задаваемой хеш-функцией.

Хеш-структуру считают обобщением массива, который обеспечивает быстрый прямой доступ к данным по индексу.

Имеется множество схем хеширования, различающихся как выбором удачной функции h (key ), так и алгоритма разрешения конфликтов. Эффективность решения реальной практической задачи будет существенно зависеть от выбираемой стратегии.

Примеры хеш-функций

Выбираемая хеш-функция должна легко вычисляться и создавать как можно меньше коллизий, т.е. должна равномерно распределять ключи на имеющиеся индексы в таблице. Конечно, нельзя определить, будет ли некоторая конкретная хеш-функция распределять ключи правильно, если эти ключи заранее не известны. Однако, хотя до выбора хеш-функции редко известны сами ключи, некоторые свойства этих ключей, которые влияют на их распределение, обычно известны. Рассмотрим наиболее распространенные методы задания хеш-функции.

Метод деления . Исходными данными являются – некоторый целый ключ key и размер таблицы m . Результатом данной функции является остаток от деления этого ключа на размер таблицы. Общий вид функции:

int h(int key, int m) {

return key % m; // Значения

Для m = 10 хеш-функция возвращает младшую цифру ключа.

Для m = 100 хеш-функция возвращает две младшие цифры ключа.

Аддитивный метод , в котором ключом является символьная строка. В хеш-функции строка преобразуется в целое суммированием всех символов и возвращается остаток от деления на m (обычно размер таблицы m = 256).

int h(char *key, int m) {

Коллизии возникают в строках, состоящих из одинакового набора символов, например, abc и cab .

Данный метод можно несколько модифицировать, получая результат, суммируя только первый и последний символы строки-ключа.

int h(char *key, int m) {

int len = strlen(key), s = 0;

if(len < 2) // Если длина ключа равна 0 или 1,

s = key; // возвратить key

s = key + key;

В этом случае коллизии будут возникать только в строках, например, abc и amc .

Метод середины квадрата , в котором ключ возводится в квадрат (умножается сам на себя) и в качестве индекса используются несколько средних цифр полученного значения.

Например, ключом является целое 32-битное число, а хеш-функция возвращает средние 10 бит его квадрата:

int h(int key) {

key >>= 11; // Отбрасываем 11 младших бит

return key % 1024; // Возвращаем 10 младших бит

Метод исключающего ИЛИ для ключей-строк (обычно размер таблицы m =256). Этот метод аналогичен аддитивному, но в нем различаются схожие слова. Метод заключается в том, что к элементам строки последовательно применяется операция «исключающее ИЛИ».

В мультипликативном методе дополнительно используется случайное действительное число r из интервала . Если это произведение умножить на размер таблицы m , то целая часть полученного произведения даст значение в диапазоне от 0 до m –1.

int h(int key, int m) {

double r = key * rnd();

r = r – (int)r; // Выделили дробную часть

В общем случае при больших значениях m индексы, формируемые хеш-функцией, имеют большой разброс. Более того, математическая теория утверждает, что распределение получается более равномерным, если m является простым числом.

В рассмотренных примерах хеш-функция i = h (key ) только определяет позицию, начиная с которой нужно искать (или первоначально – поместить в таблицу) запись с ключом key . Поэтому схема хеширования должна включать алгоритм решения конфликтов , определяющий порядок действий, если позиция i = h (key ) оказывается уже занятой записью с другим ключом.

хеширования при решении задач на языке C++.

Процесс поиска данных в больших объемах информации сопряжен с временными затратами, которые обусловлены необходимостью просмотра и сравнения с ключом поиска значительного числа элементов. Сокращение поиска возможно осуществить путем локализации области просмотра. Например, отсортировать данные по ключу поиска, разбить на непересекающиеся блоки по некоторому групповому признаку или поставить в соответствие реальным данным некий код, который упростит процедуру поиска.

В настоящее время используется широко распространенный метод обеспечения быстрого доступа к информации, хранящейся во внешней памяти – хеширование .

Хеширование (или хэширование , англ. hashing ) – это преобразование входного массива данных определенного типа и произвольной длины в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свертки , а их результаты называют хешем, хеш-кодом, хеш-таблицей или дайджестом сообщения (англ. message digest ).

Хеш-таблица – это структура данных , реализующая интерфейс ассоциативного массива, то есть она позволяет хранить пары вида " ключ - значение " и выполнять три операции : операцию добавления новой пары, операцию поиска и операцию удаления пары по ключу. Хеш-таблица является массивом, формируемым в определенном порядке хеш-функцией .

• функция должна быть простой с вычислительной точки зрения;
• функция должна распределять ключи в хеш-таблице наиболее равномерно;
• функция не должна отображать какую-либо связь между значениями ключей в связь между значениями адресов;
• функция должна минимизировать число коллизий – то есть ситуаций, когда разным ключам соответствует одно значение хеш-функции (ключи в этом случае называются синонимами ).

При этом первое свойство хорошей хеш-функции зависит от характеристик компьютера, а второе – от значений данных.

Если бы все данные были случайными, то хеш-функции были бы очень простые (например, несколько битов ключа). Однако на практике случайные данные встречаются достаточно редко, и приходится создавать функцию, которая зависела бы от всего ключа. Если хеш-функция распределяет совокупность возможных ключей равномерно по множеству индексов, то хеширование эффективно разбивает множество ключей. Наихудший случай – когда все ключи хешируются в один индекс .

При возникновении коллизий необходимо найти новое место для хранения ключей, претендующих на одну и ту же ячейку хеш-таблицы. Причем, если коллизии допускаются, то их количество необходимо минимизировать. В некоторых специальных случаях удается избежать коллизий вообще. Например, если все ключи элементов известны заранее (или очень редко меняются), то для них можно найти некоторую инъективную хеш-функцию, которая распределит их по ячейкам хеш-таблицы без коллизий . Хеш-таблицы, использующие подобные хеш-функции , не нуждаются в механизме разрешения коллизий , и называются хеш-таблицами с прямой адресацией .

Хеш-таблицы должны соответствовать следующим свойствам .

• Выполнение операции в хеш-таблице начинается с вычисления хеш-функции от ключа. Получающееся хеш-значение является индексом в исходном массиве.
• Количество хранимых элементов массива, деленное на число возможных значений хеш-функции , называется коэффициентом заполнения хеш-таблицы (load factor ) и является важным параметром, от которого зависит среднее время выполнения операций.
• Операции поиска, вставки и удаления должны выполняться в среднем за время O(1) . Однако при такой оценке не учитываются возможные аппаратные затраты на перестройку индекса хеш-таблицы, связанную с увеличением значения размера массива и добавлением в хеш-таблицу новой пары.
• Механизм разрешения коллизий является важной составляющей любой хеш-таблицы.

Хеширование полезно, когда широкий диапазон возможных значений должен быть сохранен в малом объеме памяти, и нужен способ быстрого, практически произвольного доступа. Хэш-таблицы часто применяются в базах данных, и, особенно, в языковых процессорах типа компиляторов и ассемблеров , где они повышают скорость обработки таблицы идентификаторов. В качестве использования хеширования в повседневной жизни можно привести примеры распределение книг в библиотеке по тематическим каталогам, упорядочивание в словарях по первым буквам слов, шифрование специальностей в вузах и т.д.

Методы разрешения коллизий

Коллизии осложняют использование хеш-таблиц, так как нарушают однозначность соответствия между хеш-кодами и данными. Тем не менее, существуют способы преодоления возникающих сложностей:

• метод цепочек (внешнее или открытое хеширование );
• метод открытой адресации (закрытое хеширование ).

Метод цепочек . Технология сцепления элементов состоит в том, что элементы множества , которым соответствует одно и то же хеш- значение , связываются в цепочку- список . В позиции номер i хранится указатель на голову списка тех элементов, у которых хеш- значение ключа равно i ; если таких элементов в множестве нет, в позиции i записан NULL . На рис. 38.1 демонстрируется реализация метода цепочек при разрешении коллизий . На ключ 002 претендуют два значения, которые организуются в линейный список .

Рис. 38.1.

Каждая ячейка массива является указателем на связный список (цепочку) пар ключ - значение , соответствующих одному и тому же хеш-значению ключа. Коллизии просто приводят к тому, что появляются цепочки длиной более одного элемента.

Операции поиска или удаления данных требуют просмотра всех элементов соответствующей ему цепочки, чтобы найти в ней элемент с заданным ключом. Для добавления данных нужно добавить элемент в конец или начало соответствующего списка, и, в случае если коэффициент заполнения станет слишком велик, увеличить размер массива и перестроить таблицу.

При предположении, что каждый элемент может попасть в любую позицию таблицы с равной вероятностью и независимо от того, куда попал любой другой элемент,