我能否自己设计一个编码方式，替代 MD5 用于哈希呢？
首先，我们得明确一点：“编码方式”和“哈希函数”在技术上是两个不同的概念。 虽然在日常交流中可能会混淆，但为了深入探讨您的想法，我们需要区分开来。
编码（Encoding）： 通常是将数据从一种格式转换为另一种格式，以便传输、存储或处理。比如 Base64 编码，它将二进制数据转换为 ASCII 字符集，方便在文本环境中传输。编码通常是可逆的，也就是说，你可以从编码后的结果还原出原始数据。
哈希函数（Hash Function）： 它的主要目的是将任意长度的输入数据，通过一个确定性的算法，生成一个固定长度的输出值（称为哈希值或摘要）。理想的哈希函数具有以下特性：
确定性： 相同的输入总是产生相同的输出。
雪崩效应（Avalanche Effect）： 输入的微小变化（哪怕只有一个比特）都会导致输出发生巨大的、不可预测的变化。
抗碰撞性（Collision Resistance）： 很难找到两个不同的输入，它们产生相同的输出。这是哈希函数最重要的安全属性，尤其在密码学领域。
单向性（Preimage Resistance）： 很难通过哈希值反推出原始输入。
您提到的“替代 MD5 用于哈希”，意味着您实际上是在设计一个哈希函数。MD5 本身就是一个哈希函数，尽管现在已经被认为不够安全，不适合用于关键的密码学应用（比如数字签名）。
为什么说设计一个安全的哈希函数是一项极其困难的任务？
这背后涉及深刻的数学原理和密码学理论。一个好的哈希函数需要精心设计其内部的数学运算和数据结构，以满足上述的各项安全特性。举个例子，MD5 虽然现在被破解，但它在设计之初，其内部的迭代过程、逻辑门运算（如 XOR, AND, NOT, Rotation）以及消息调度（message scheduling）等都经过了一番推敲。
如果您想“自己设计一个”，我们可以从几个方面来探讨其可行性和需要考虑的问题：
一、 明确您的目标和应用场景：
您设计这个哈希函数的目的是什么？仅仅是为了好玩、学习，还是有特定的应用需求？
学习和实验： 如果是出于学习目的，这是一个极好的尝试！您可以深入理解哈希函数的工作原理。
非安全敏感应用： 如果您只是想为某些数据提供一个简单的唯一标识符，并且这些数据不会暴露给攻击者，或者碰撞不会造成严重后果（比如简单的文件校验，但不用于安全验证），那么一个简单的自定义哈希函数可能勉强够用。
安全敏感应用（强烈不推荐）： 如果您想用于密码存储、数字签名、完整性校验等安全敏感的场景，那么强烈不建议您自己设计。密码学领域的专家们花费了大量的时间和精力来设计和分析哈希函数，并且已经开发出了一系列经过严格审查、被广泛认可的算法（如 SHA256, SHA3）。一个业余设计的哈希函数，很可能存在严重的、未知的安全漏洞。
二、 设计一个哈希函数的基本框架和组件：
一个典型的分组密码哈希函数（如 MD5, SHA 系列）通常包含以下几个关键组件：
1. 填充（Padding）：
目的： 使原始消息的长度达到某个块大小的整数倍。哈希函数通常处理固定大小的数据块。
如何做： 在原始消息的末尾添加一个特定的比特序列。最常见的填充方式是：先添加一个 '1' 比特，然后添加足够多的 '0' 比特，直到消息长度满足特定条件。最后，通常还会附加原始消息的长度信息。
示例： 如果你的消息是 "hello"，原始长度是 5 字节 (40 比特)。如果你的块大小是 512 比特，你需要填充。一个可能的填充方式是：`hello` + `1` + `00...00` + `length_of_hello`。
2. 消息分割（Message Segmentation）：
目的： 将填充后的消息分割成固定大小的数据块。
例如： MD5 使用 512 比特（64 字节）的消息块。SHA256 也使用 512 比特的消息块。
3. 初始化向量（Initialization Vector IV）或初始哈希值（Initial Hash Values）：
目的： 为哈希过程提供一个初始的“状态”。
如何做： 通常是一组预先定义的、通常是来自数学常数（如 π 或 e 的小数部分）的固定值。这些值会被用来初始化哈希计算的中间状态。
示例： MD5 的初始哈希值是 `0x67452301`, `0xEFCDAB89`, `0x98BADCFE`, `0x10325476`。
4. 压缩函数（Compression Function）：
核心组件： 这是哈希函数最关键的部分。它接收两个输入：一个当前消息块，以及前一个消息块的处理结果（或者 IV）。然后通过一系列复杂的、非线性的数学和逻辑运算，生成一个新的中间哈希值。
迭代： 这个过程会为每一个消息块重复进行。每个块的处理结果都会作为下一个块处理的输入。
内部结构： 压缩函数通常包含多个“轮次”（rounds）。每一轮都会对数据进行一系列置换、替换和混合操作。
消息调度（Message Scheduling）： 将当前消息块进一步扩展成一系列独立的“字”（words），供每一轮使用。MD5 使用了将消息块分解成 16 个字，然后通过特定公式生成 64 个字的流程。
非线性函数（Nonlinear Functions）： 使用逻辑门操作（如 AND, OR, XOR, NOT）或者数学运算（如模加法、循环移位）来引入非线性，这对于抵抗某些攻击非常重要。MD5 使用了 F, G, H, I 四个函数。
循环移位（Circular Shifts / Rotations）： 将数据比特进行周期性移位，这有助于数据的扩散。
常量（Constants）： 在每轮的计算中加入一些固定的常量，以防止对称性。MD5 使用了 64 个特定的常量。
5. 最终输出（Final Output）：
目的： 将最后一个消息块处理后得到的中间哈希值，组合成最终的固定长度哈希值。
三、 设计一个简单的自定义哈希函数的示例（仅用于说明原理，不安全）：
我们来尝试设计一个极其简化的、不安全的哈希函数，以便理解上述概念。
目标： 设计一个将任意长度字符串哈希为 32 比特（4字节）的函数。
思路：
1. 初始化： 设置一个 32 位的初始哈希值，比如 `0x12345678`。
2. 分块： 我们将输入字符串看作是字节序列。虽然我们没有严格的块大小概念，但我们可以逐个字节处理，或者将几个字节组合起来处理。为了简单，我们先考虑逐个字节处理。
3. 处理逻辑（“压缩”过程）：
我们有一个当前哈希值 `H`。
对于输入字符串中的每一个字节 `B`：
将 `H` 左移 5 位（`H = (H << 5) | (H >> (32 5))`，这是一个循环左移）。
将 `H` 与当前字节 `B` 进行异或操作（`H = H ^ B`）。
为了增加一点复杂性，我们可以引入一个简单的“常量”，比如 `0xABCDEF01`。将 `H` 与这个常量进行模加法（`H = (H + 0xABCDEF01) % 2^32`）。
最后，我们对 `H` 进行一次简单的“置换”，比如，将高 16 位和低 16 位交换（`H = ((H & 0xFFFF0000) >> 16) | ((H & 0x0000FFFF) << 16)`）。
4. 最终输出： 处理完所有字节后，最后的 `H` 值就是哈希值。
用 Python 代码模拟一下这个非常简陋的“哈希”过程：
```python
def simple_hash(input_string):
初始化哈希值 (32位)
h = 0x12345678
一个简单的常量
constant = 0xABCDEF01
将字符串转换为字节序列
input_bytes = input_string.encode('utf8')
逐个字节处理
for byte in input_bytes:
1. 循环左移 5 位
h = ((h << 5) | (h >> (32 5))) & 0xFFFFFFFF & 0xFFFFFFFF 确保是32位
2. 与当前字节异或
h = h ^ byte
3. 与常量进行模加法 (模拟加法器的行为，但这里用Python的整数加法)
注意：Python的整数不会溢出，所以这里需要手动模拟32位溢出
h = (h + constant) & 0xFFFFFFFF
4. 高低16位交换 (简单置换)
h = ((h & 0xFFFF0000) >> 16) | ((h & 0x0000FFFF) << 16)
返回最终的32位哈希值 (以十六进制表示)
return f"{h:08x}"
测试一下
print(f"Hash of 'hello': {simple_hash('hello')}")
print(f"Hash of 'hell': {simple_hash('hell')}")
print(f"Hash of 'hello ': {simple_hash('hello ')}") 稍微改变一点输入
print(f"Hash of 'Hello': {simple_hash('Hello')}") 改变大小写
```
分析这个简单哈希的不足（为什么它不安全）：
分组大小不明确： 我们只是简单地逐字节处理，没有明确的分组和填充策略，这使得它可能不够“均匀”。
迭代次数太少： 只有简单的几步操作，远不如现代哈希函数那样多轮的复杂迭代。
数学运算太弱： 使用的异或、移位、模加法都很基础，容易被找到数学上的规律或弱点。
雪崩效应不明显： 输入的微小变化可能不足以产生足够大的输出变化。
抗碰撞性差： 极易找到具有相同哈希值的不同输入。例如，如果两个输入的字节序列 XOR 起来为 0，并且在其他步骤中也恰好抵消，就可能产生碰撞。
没有明确的结构来抵抗针对性攻击： 像生日攻击、长度扩展攻击等，都没有考虑到。
四、 您在设计时需要考虑和尝试的方向（如果要深入）：
如果您真的想尝试设计一个更具“像样”的哈希函数，您需要深入研究以下方面：
1. 更复杂的数学和逻辑运算：
模加法（Modular Addition）： 在有限域上进行加法，这通常是计算中必不可少的。
模乘法（Modular Multiplication）： 在某些高级密码学结构中使用。
有限域运算（Finite Field Operations）： 比如伽罗瓦域（Galois Field）运算，这是 AES 等对称加密算法的核心，也可以用于哈希。
更复杂的逻辑函数： 不仅仅是 AND, OR, XOR, NOT，可以组合它们，或者设计更复杂的组合逻辑。
多种不同的运算组合和顺序： 避免单一运算模式。
2. 精巧的消息调度：
如何将输入数据转换成一系列用于迭代的“轮密钥”或“字”。
可以使用多项式、线性反馈移位寄存器（LFSR）或其他伪随机数生成器（PRNG）的思路来设计消息调度。
3. 多轮迭代和状态更新：
增加计算的“深度”，使得每一轮都依赖于上一轮的状态。
每一轮的计算都应该是“不可逆”的，并且对输入有很强的“混合”能力。
4. 抵抗已知攻击的机制：
差分分析（Differential Cryptanalysis）： 研究输入差异如何传播到输出。一个好的哈希函数应该使得差分概率极低。
线性分析（Linear Cryptanalysis）： 寻找输入、输出和内部状态之间近似的线性关系。
生日攻击（Birthday Attack）： 利用概率论找到碰撞。需要确保哈希值长度足够长，以至于生日攻击的计算复杂度非常高。MD5 的 128 位输出，其生日攻击的复杂度是 2^64，这是其不安全的根本原因之一。SHA256 的 256 位输出，生日攻击复杂度是 2^128，这在目前是难以实现的。
长度扩展攻击（Length Extension Attack）： 对于某些 Merkle–Damgård 结构的哈希函数（MD5, SHA1, SHA2），如果知道某个消息的哈希值，可以计算一个更长消息的哈希值，而无需知道原始消息。SHA3 (Keccak) 设计了一个不同的结构来避免这个问题。
5. 参考现有安全哈希函数的结构：
MD5: 学习它的结构，以及它为何被破解。
SHA1: 它的设计思路和被发现的弱点。
SHA2 (SHA256, SHA512): 理解其改进之处，比如更大的状态、更复杂的轮函数。
SHA3 (Keccak): 理解其“海绵结构”（Sponge Construction）这一全新的设计范式，它与 Merkle–Damgård 有本质区别。
五、 结论：为什么你自己设计的哈希很可能不安全，或者需要极大的投入？
正如前面反复强调的，设计一个安全的哈希函数是一项极其专业且困难的工作。它需要深厚的数学功底、对密码学理论的透彻理解，以及大量的同行评审和密码分析。
现有算法已经足够成熟： SHA2 系列和 SHA3 系列已经通过了全球密码学界的严格检验，并且广泛应用于各种安全领域。它们提供了比 MD5 更强的安全保障。
风险极高： 一个自己设计的哈希函数，即便在您测试时看起来工作正常，也极有可能存在您未曾发现的漏洞，一旦被攻击者发现，后果不堪设想。
资源投入巨大： 要设计一个能够抵抗现代密码分析技术的哈希函数，需要投入的时间和精力是巨大的，远超普通爱好者或开发者的能力范围。
如果您是出于学习目的，那么大胆去尝试吧！ 这是一个绝佳的学习机会。从一个简单的模型开始，逐步增加复杂性，尝试理解每个组件的作用，并尝试去“攻击”它自己设计的算法，看能否找到碰撞或者其他弱点。这是深入理解密码学核心思想的好方法。
但请务必牢记，在任何需要安全保障的实际应用中，请务必使用经过广泛验证和社区认可的标准哈希算法，例如 SHA256 或 SHA3。不要用你自己设计的哈希函数来处理敏感数据。
希望这些详细的解释能帮助您理解设计哈希函数的复杂性和挑战性，以及您所追求的目标。
网友意见
首先，关于MD5安全性问题
目前MD5并没有被破解，大家误解王小云院士的工作了。
王小云院士多年来主要从事密码理论及相关数学问题的研究工作，提出了密码哈希函数的碰撞攻击理论，并实践破解了一部分国际通用哈希函数算法。
在2004年的国际密码讨论年会（CRYPTO）上，王小云及其研究同事展示了MD5、SHA-0及其他相关散列函数的散列冲撞。
也就是说，王小云院士只是否定了MD5的抗碰撞性。
实际上，王小云的研究成果如下：
即给定消息M1，能够计算获取M2，使得M2产生的散列值与M1产生的散列值相同。并不是说扔给王小云一个MD5散列值，然后她马上就能算出一个原明文M来[1]。
如此，MD5的抗碰撞性就已经不满足了，使得MD5不再是安全的散列算法。这样一来，MD5用于数字签名将存在严重问题，因为可以篡改原始消息，而生成相同的Hash值。
其次，关于MD5破解网站的问题
由于存储密码的表很容易被窃取，所以以纯文本形式储存密码是非常危险的。因此大多数数据库会储存用户密码的加密摘要。在这种系统内，即使是认证系统本身都无法简单地通过查表来获得用户密码，这就是MD5的常见用途，即敏感信息加密。
黑客在盗取到散列后的密码表时，并不能仅凭借输入散列后的用户的加密摘要来获取权限（使用加密摘要作为输入密码并不可行，因为认证系统会把加密摘要再次进行散列，产生一个与储存的加密摘要不匹配的消息摘要）。为了获取用户的密码，黑客必须找到一个能产生相同加密摘要的密码。
理论上来讲，MD5的明文M是无穷的，但实际而言，用户的可能输入字符组合相对于随机的字符组合来说非常集中，例如，集中在自己的生日，身份证，银行卡号，姓名缩写/大小写等一些信息，换句话说，也就是信息熵其实是很低的。
因此，暴力破解法和字典攻击法是一种破解MD5最为直观且简单的方法，也就是遍历所有可能性尝试，或者通过包含“明文->密文”对应关系的一个大型数据库对其进行攻击。
但是，存储所有的明文密码对需要的空间过大，替代方法是使用预先计算的哈希链表[2]，因此便提出了彩虹表，其比暴力破解使用的时间更少，空间更多；但与储存密码空间中的每一个密码及其对应的哈希值实现的查找表相比，其花费的时间更多，空间更少[3]。
因此，MD5一些的破解网站只是通过查表来确定而已，并不是多么强大的破解技术，只是一个正向破解密码散列值的过程，做不到已知一个MD5值，寻找具有这个值明文字符串。
此外，使用加盐的密钥派生函数可以使彩虹表攻击难以实现。
接着，关于自己设计一个编码方式的问题
现行的加密算法和哈希算法，其安全性和复杂度都是通过严格的数学演算来论证的。
表面上来看，加密算法是一个你追我躲的游戏，实际上来看，加密算法是一个严格意义上的数学游戏，密码学一直以来都指的是一个数学概念。
一个加密算法是否可靠，不是以保密算法本身为安全保证的，而是取决于针对这段密文的密钥是否安全。因而那些真正能够为大家所认可的加密解密算法，都不是能够轻易创造出来的。
MD5的算法公开并不对其安全性造成威胁，相反，如果系统的安全取决于算法的保密性，那么一旦被逆向还原，则整个系统付出的代价便太大了，而且，算法的保密性在现实世界实难行通。
但是，如果算法公开，安全性取决于密钥，那么维护密钥的保密性以及更换密钥，就相对而言是更容易的事情了，付出的代价也小。
最后，一个有趣的思考
如果我不用通用的MD5，自己弄个编码方法，是不是加密特性更高了呢？
首先，安全性绝不取决于你是否公开算法，这和代码逆向有关系，前文谈到过。因而无需知道加密算法，也可能构造出解密算法。
其次，如果答主不公开算法，不接受公开的分析和批评，以及顶级专家的钻研，怎么证明算法的强度，或者其是否留有后门？
毕竟，公开的RSA还被怀疑NSA在其中安置后门呢。
安全与否是后天赋予的，也是理论证明的，你无法自己声称，大家也不可能同意。
如果不服，大可公开算法给世人来挑战，当全世界也无法证实其不安全时，算法的安全性自然有人站台和担保。
我的思考大致如上，谢谢阅读~
参考
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