1. 使用哈希函数生成文件完整性校验值

任务目标与核心思路

文件完整性校验的核心是：对文件内容逐字节计算 SHA-256 摘要，得到一个 256 位（32 字节）的哈希值，再与可信来源提供的预期摘要比对。若两者完全一致，说明文件内容未被篡改；若不一致，则文件已发生变化。

本案例使用 Python 标准库 hashlib 中的 sha256() 接口完成计算。关键点有三个：

• 以二进制模式读取文件，避免文本编码转换改变字节内容。
• 对大文件采用分块读取（如每次 64 KiB），避免一次性载入内存。
• 比对时使用 hmac.compare_digest() 进行恒定时间比较，避免时序侧信道。

SHA-256 文件摘要计算与比对流程

完整实现代码

以下代码可直接运行，包含文件摘要计算、预期值比对和结果输出。示例中先创建一个测试文件，再分别演示正确比对和篡改后比对失败两种情况。

import hashlib
import hmac
import os

def sha256_file(filepath, chunk_size=65536):
    """分块计算文件的 SHA-256 摘要，返回十六进制字符串。"""
    h = hashlib.sha256()
    with open(filepath, "rb") as f:
        while True:
            chunk = f.read(chunk_size)
            if not chunk:
                break
            h.update(chunk)
    return h.hexdigest()

def verify_file(filepath, expected_hex):
    """计算文件摘要并与预期值比对，返回 (是否一致, 实际摘要)。"""
    actual = sha256_file(filepath)
    match = hmac.compare_digest(actual, expected_hex.lower())
    return match, actual

# ---- 教学示例：创建测试文件 ----
test_path = "demo_integrity.bin"
with open(test_path, "wb") as f:
    f.write(b"Password API Practice 100 - Case 01\n")
    f.write(os.urandom(1024))  # 追加 1 KiB 随机字节

# 1) 计算并打印摘要
digest = sha256_file(test_path)
print("实际摘要:", digest)

# 2) 用正确预期值比对
ok, actual = verify_file(test_path, digest)
print("正确预期值比对:", "通过" if ok else "失败")

# 3) 模拟篡改：修改文件内容后再比对
with open(test_path, "ab") as f:
    f.write(b"TAMPERED")

ok2, actual2 = verify_file(test_path, digest)
print("篡改后比对:", "通过" if ok2 else "失败")
print("篡改后摘要:", actual2)

# 清理
os.remove(test_path)

运行结果与判读

运行上述代码，预期输出如下（摘要值因随机字节不同而不同，但结构一致）：

实际摘要: 3a7f...（64 个十六进制字符）
正确预期值比对: 通过
篡改后比对: 失败
篡改后摘要: 9c2e...（与原始摘要完全不同）

判读要点：

• 正确预期值比对通过：说明计算路径正确，文件内容与预期摘要匹配。
• 篡改后比对失败：追加 8 字节后摘要完全改变，验证了 SHA-256 的雪崩效应——输入任何微小变化都会导致输出摘要不可预测地大幅变化。
• 摘要长度固定：无论文件多大，SHA-256 输出始终为 64 个十六进制字符（256 位）。

关键参数与验证清单