哈希算法入门：MD5、SHA-1、SHA-256的区别，哈希在签名中的作用
聊固件签名，绕不开哈希。说白了，哈希就是个「数字指纹」。你给它一段数据，它吐出一串固定长度的字符串。哪怕你改了一个 bit，这串字符串就变得面目全非。
我刚开始做固件时，觉得哈希就是个校验工具，跟签名关系不大。直到有一次，我在联调时发现签名验证总失败，折腾了两天，最后发现是哈希算法选错了。嗯，从那以后我再也不敢小看这一步了。
哈希算法的三个核心特性
不管 MD5 还是 SHA-256，它们都满足三个基本要求：
- 单向性：从哈希值反推原始数据，理论上不可能。你想想看，如果哈希能逆回去，那签名还有什么意义？
- 抗碰撞性：很难找到两个不同的输入，产生相同的哈希值。碰撞概率越低，算法越安全。
- 雪崩效应：输入改一个 bit，输出大约一半的 bit 会翻转。这个特性在签名中特别重要——哪怕固件被篡改了一个字节，签名验证立刻就能发现。
核心理解：哈希不是加密。加密可以解密，哈希不行。哈希是「摘要」，不是「密文」。
MD5、SHA-1、SHA-256 的区别
这三个算法，我猜你肯定都听过。但它们的区别，很多人其实没搞清楚。我直接给你一张对比表，一目了然：
| 算法 | 输出长度 | 安全性 | 速度 | 当前状态 |
|---|---|---|---|---|
| MD5 | 128 bit (16 字节) | 极低，已破解 | 最快 | 不推荐用于签名 |
| SHA-1 | 160 bit (20 字节) | 低，有理论碰撞攻击 | 较快 | 逐步淘汰中 |
| SHA-256 | 256 bit (32 字节) | 高，目前安全 | 较慢 | 行业标准 |
避坑指南：我曾经在一个老项目里看到有人用 MD5 做固件签名校验。当时觉得「反正只是校验完整性，又不用防攻击」。结果客户反馈说固件被篡改后签名验证居然通过了……后来查出来是 MD5 碰撞攻击。从那以后，我所有新项目一律用 SHA-256。
为什么 MD5 和 SHA-1 不安全了？
MD5 的碰撞攻击早在 2004 年就被公开了。什么意思？就是攻击者可以构造两个不同的文件，但它们的 MD5 值一模一样。你想想看，如果签名用的是 MD5，攻击者完全可以替换你的固件，但签名验证还是通过。
SHA-1 的情况好一点，但也好不到哪去。2017 年 Google 和 CWI 研究所联合公布了 SHA-1 的碰撞攻击（SHAttered 攻击）。他们用了 6500 年的 CPU 计算时间，成功构造了两个不同的 PDF 文件，SHA-1 值完全相同。
我个人习惯是：只要涉及安全，直接上 SHA-256。别纠结性能，现在 MCU 的算力跑 SHA-256 完全没问题。
哈希在签名中的作用
签名过程其实分两步：先哈希，再签名。为什么不能直接对固件签名？因为非对称加密（RSA、ECDSA 等）处理大文件很慢。你想想看，一个几 MB 的固件，如果用私钥直接加密，那速度慢得没法用。
所以实际做法是：
- 对固件计算哈希值（比如 SHA-256）
- 对哈希值进行签名（用私钥加密）
- 把签名附加到固件后面
验证时反过来：
- 提取固件，重新计算哈希值
- 用公钥解密签名，得到原始哈希值
- 对比两个哈希值是否一致
我的经验：联调时最容易出问题的地方就是哈希计算的范围不一致。比如签名时算了整个固件，但验证时只算了固件主体（没算签名本身）。这种 bug 很难查，因为代码逻辑看起来都对。我建议你在设计阶段就把「哈希范围」明确写进接口文档里。
哈希算法在固件签名中的选择建议
- 新项目：一律用 SHA-256。这是目前最稳妥的选择。
- 兼容旧设备：如果旧设备只支持 SHA-1，可以考虑双哈希（SHA-1 + SHA-256），但我不推荐长期这么做。
- 资源极度受限：比如只有几 KB RAM 的 MCU，可以考虑 SHA-224（SHA-256 的截断版本），但别用 MD5。
一张图看懂哈希在签名中的位置
下面这张图展示了哈希在固件签名和验证流程中的核心位置。我建议你把它存下来，联调时对照着看，能少走很多弯路。
实际联调中的哈希坑
联调时，哈希相关的坑我踩过不少。给你列几个最常见的：
- 字节序问题：PC 端是大端序，有些 MCU 是小端序。哈希计算时如果字节序没对齐，结果肯定不一样。我建议在接口文档里明确写明「哈希计算采用大端序」。
- 填充问题：有些哈希库在计算时会自动填充，有些不会。如果你手动拼接数据，一定要确认填充方式一致。
- 签名范围：签名时到底算了哪些数据？是固件主体？还是固件 + 元数据？还是固件 + 签名本身（这个不对）？我建议在固件头部加一个字段，明确标识签名范围。
我的习惯：每次联调前，我会先在 PC 端用 Python 的 hashlib 库算一遍哈希，然后在 MCU 端用同样的数据算一遍，对比结果。如果一致，再往下走签名流程。这一步能过滤掉 80% 的哈希相关问题。
小结
哈希是固件签名的基石。MD5 和 SHA-1 已经不安全了，新项目直接上 SHA-256。记住：哈希不是加密，它是「数字指纹」。签名时先哈希再签名，验证时先哈希再对比。这个流程搞清楚了，联调时能省不少时间。