Qtの基礎 - ハッシュ値

概要

ハッシュとは、任意のサイズのデータを固定長のデータに変換するアルゴリズムである。
ハッシュ関数と呼ばれる特殊な関数を使用して、入力データからハッシュ値 (ダイジェストとも呼ばれる) を生成する。

ハッシュの特徴を以下に示す。

• 一方向性

  ハッシュ値から元のデータを復元することは計算上非常に困難である。

• 固定長出力

  入力データのサイズに関係なく、ハッシュ値は常に固定長になる。

• 一意性

  異なる入力データから同じハッシュ値が生成される可能性は非常に低い。 (衝突耐性)

• 高速性

  ハッシュ関数は効率的で、大量のデータを高速に処理できる。

ハッシュの用途を以下に示す。

• データの整合性検証

  ハッシュ値を比較することで、データが改ざんされていないことを確認できる。

• パスワードの保存

  パスワードをそのまま保存するのではなく、ハッシュ値を保存することでセキュリティを向上させる。

• データの識別

  ハッシュ値を使用してデータを一意に識別できる。

• 署名生成

  デジタル署名においてハッシュ関数が使用される。

代表的なハッシュアルゴリズムを以下に示す。

• MD5

  古くから使用されてきたが、現在は脆弱性が発見されている。

• SHA-1

  MD5の後継として広く使用されてきたが、現在は衝突耐性に問題があることが判明している。

• SHA-2 (SHA-256, SHA-384, SHA-512)

  現在広く使用されている安全なハッシュアルゴリズムである。

  
  

  SHA-2は現在のコンピューティング能力では十分に安全であり、多くのシステムやプロトコルで広く使用されている。

  SHA-3への移行には、ソフトウェアやインフラストラクチャの更新が必要であり、コストと時間が掛かるため、緊急性がない限り、急激な変更は推奨されない。

• SHA-3

  SHA-2の後継として設計された新しいハッシュアルゴリズムである。

  
  

  ただし、新しいシステムを設計する際や、長期的なセキュリティを考慮する必要がある場合には、SHA-3の採用を検討することを推奨する。

  SHA-3は、量子コンピュータによる攻撃に対してより耐性があると考えられており、将来を見据えた選択肢となっている。

ハッシュは、データの完全性検証、パスワードの保護、効率的なデータ検索等、ソフトウェア開発のさまざまな場面で活用されてる。
適切なハッシュアルゴリズムを選択し、ハッシュの特性を理解することが重要である。

QCryptographicHashクラス

ハッシュ化

MD5、SHA-2、SHA-3等のハッシュを求める場合、QCryptographicHashクラスのhashメソッドを使用する。

以下の例では、任意の文字列から、MD4、MD5、SHA-2、SHA-3のハッシュを計算している。

サポートされているハッシュの詳細については、Qtの公式ドキュメントを参照すること。

 #include <QCoreApplication>
 #include <QCryptographicHash>
 #include <QDebug>
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
    QCoreApplication a(argc, argv);
 
    // ハッシュ化する文字列
    QString input = "Hello, world!";
 
    // MD4
    QByteArray md4Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Md4);
    QString md4HexHash = md4Hash.toHex();
    qDebug() << "MD4 Hash:" << md4HexHash;
 
    // MD5
    QByteArray md5Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Md5);
    QString md5HexHash = md5Hash.toHex();
    qDebug() << "MD5 Hash:" << md5HexHash;
 
    // SHA-2 (SHA-224)
    QByteArray sha224Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha224);
    QString sha224HexHash = sha224Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-224) Hash:" << sha224HexHash;
 
    // SHA-2 (SHA-256)
    QByteArray sha256Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha256);
    QString sha256HexHash = sha256Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-256) Hash:" << sha256HexHash;
 
    // SHA-2 (SHA-384)
    QByteArray sha384Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha384);
    QString sha384HexHash = sha384Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-384) Hash:" << sha384HexHash;
 
    // SHA-2 (SHA-512)
    QByteArray sha512Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha512);
    QString sha512HexHash = sha512Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-512) Hash:" << sha512HexHash;
 
    // SHA-3 (SHA3-224)
    QByteArray sha3_224Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_224);
    QString sha3_224HexHash = sha3_224Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-224) Hash:" << sha3_224HexHash;
 
    // SHA-3 (SHA3-256)
    QByteArray sha3_256Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_256);
    QString sha3_256HexHash = sha3_256Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-256) Hash:" << sha3_256HexHash;
 
    // SHA-3 (SHA3-384)
    QByteArray sha3_384Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_384);
    QString sha3_384HexHash = sha3_384Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-384) Hash:" << sha3_384HexHash;
 
    // SHA-3 (SHA3-512)
    QByteArray sha3_512Hash = QCryptographicHash::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_512);
    QString sha3_512HexHash = sha3_512Hash.toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-512) Hash:" << sha3_512HexHash;
 
    return a.exec();
 }

セキュリティ対策を施したハッシュ化の例

QCryptographicHashクラスは、暗号学的ハッシュ関数を提供するためのクラスであるが、
ソルト値の追加やPBKDF2等の鍵引き伸ばし関数の適用は自動的には行わない。

そのため、これらの機能を使用する場合は、設計者側で実装する必要がある。

パスワードのハッシュ化を安全に行う場合は、以下に示すような手順を実装することが推奨される。

• ソルト値の生成

  パスワード毎にランダムな一意のソルト値を生成する。

  ソルト値は、十分に長く、暗号学的に安全な乱数生成器を使用して生成する必要がある。

• パスワードとソルト値の結合

  ソルト値をパスワードに結合する。

  一般的には、パスワードの前後にソルト値を付加する。

• 鍵引き伸ばし関数の適用

  結合したパスワードとソルト値に対して、PBKDF2等の鍵引き伸ばし関数を適用する。

  鍵引き伸ばし関数は、計算コストを調整できるパラメータを持ち、ハッシュ計算に時間が掛かるようにすることで、ブルートフォース攻撃を困難にする。

• ハッシュ値の生成

  鍵引き伸ばし関数により得られた結果を、暗号学的ハッシュ関数（SHA-256等）で処理して、最終的なハッシュ値を生成する。

• ハッシュ値とソルト値の保存

  生成されたハッシュ値とソルト値をデータベース等に安全に保存する。

QtではPBKDF2を直接サポートするクラスは無いが、QMessageAuthenticationCodeクラスとQCryptographicHashクラスを組み合わせることにより、PBKDF2を実装することができる。

以下の例は、PBKDF2-HMAC-SHA256を使用したパスワードをハッシュ化している。

まず、QRandomGeneratorクラスを使用してランダムなソルト値を生成し、次に、パスワードとソルト値を結合してPBKDF2-HMAC-SHA256を適用している。
また、反復回数とキーの長さを指定することにより、計算コストを調整することができる。
ただし、実際の設計では、イテレーション回数を適切に調整して、ハードウェアの進歩に合わせて定期的に更新する必要がある。

 #include <QCryptographicHash>
 #include <QMessageAuthenticationCode>
 #include <QRandomGenerator>
 
 QByteArray hashPassword(const QString &password, const QByteArray &salt, int iterations, int keyLength)
 {
    QMessageAuthenticationCode hmac(QCryptographicHash::Sha256);
    QByteArray derivedKey(keyLength, Qt::Uninitialized);
 
    hmac.setKey(password.toUtf8() + salt);
 
    QByteArray U = hmac.result();
    QByteArray T = U;
 
    for (int i = 1; i < iterations; ++i) {
       hmac.addData(U);
       U = hmac.result();
       T = T.toHex().append(U.toHex());
    }
 
    return QCryptographicHash::hash(T, QCryptographicHash::Sha256).left(keyLength);
 }
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
    // ...略
 
    QString password = "myPassword";
    QByteArray salt = QRandomGenerator::global()->generate(16).toHex();
    int iterations = 10000;
    int keyLength = 32;
 
    QByteArray hashedPassword = hashPassword(password, salt, iterations, keyLength);
 
    // ...略
 }

ただし、セキュリティ上重要な用途では、専門家によって監査・検証されたライブラリや実装を使用することが推奨される。

QMessageAuthenticationCodeクラス

ハッシュ化

以下の例では、QMessageAuthenticationCodeクラスを使用して、MD4、MD5、SHA-2、SHA-3でハッシュ化している。

各ハッシュアルゴリズムに対して、QMessageAuthenticationCodeオブジェクトを作成して、コンストラクタでアルゴリズムを指定する。
addDataメソッドを使用して、ハッシュ化する文字列をUTF-8エンコードで追加する。
resultメソッドを使用してハッシュ値を取得し、toHexメソッドで16進数表記の文字列に変換する。

出力結果は、QCryptographicHashクラスを使用した場合と同値となる。

QMessageAuthenticationCodeクラスは、主にメッセージ認証コード (MAC) の計算に使用されるが、このようにハッシュ化にも使用することができる。
ただし、一般的なハッシュ化の用途では、QCryptographicHashクラスを使用する方が簡潔で便利である。

 #include <QCoreApplication>
 #include <QMessageAuthenticationCode>
 #include <QDebug>
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
    QCoreApplication a(argc, argv);
 
    // ハッシュ化する文字列
    QString input = "Hello, world!";
 
    // MD4
    QMessageAuthenticationCode md4(QCryptographicHash::Md4);
    md4.addData(input.toUtf8());
    QByteArray md4Hash = md4.result().toHex();
    qDebug() << "MD4 Hash:" << md4Hash;
 
    // MD5
    QMessageAuthenticationCode md5(QCryptographicHash::Md5);
    md5.addData(input.toUtf8());
    QByteArray md5Hash = md5.result().toHex();
    qDebug() << "MD5 Hash:" << md5Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-224)
    QMessageAuthenticationCode sha224(QCryptographicHash::Sha224);
    sha224.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha224Hash = sha224.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-224) Hash:" << sha224Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-256)
    QMessageAuthenticationCode sha256(QCryptographicHash::Sha256);
    sha256.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha256Hash = sha256.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-256) Hash:" << sha256Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-384)
    QMessageAuthenticationCode sha384(QCryptographicHash::Sha384);
    sha384.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha384Hash = sha384.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-384) Hash:" << sha384Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-512)
    QMessageAuthenticationCode sha512(QCryptographicHash::Sha512);
    sha512.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha512Hash = sha512.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-512) Hash:" << sha512Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-224)
    QMessageAuthenticationCode sha3_224(QCryptographicHash::Sha3_224);
    sha3_224.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha3_224Hash = sha3_224.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-224) Hash:" << sha3_224Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-256)
    QMessageAuthenticationCode sha3_256(QCryptographicHash::Sha3_256);
    sha3_256.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha3_256Hash = sha3_256.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-256) Hash:" << sha3_256Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-384)
    QMessageAuthenticationCode sha3_384(QCryptographicHash::Sha3_384);
    sha3_384.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha3_384Hash = sha3_384.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-384) Hash:" << sha3_384Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-512)
    QMessageAuthenticationCode sha3_512(QCryptographicHash::Sha3_512);
    sha3_512.addData(input.toUtf8());
    QByteArray sha3_512Hash = sha3_512.result().toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-512) Hash:" << sha3_512Hash;
 
    return a.exec();
 }

セキュリティ対策を施したハッシュ化の例

ソルト値はレインボーテーブル攻撃を防ぐために使用され、PBKDF2はブルートフォース攻撃を困難にするために、意図的に計算コストを高くする。

ただし、実際の設計では、ソルト値とハッシュ値を安全に保存する必要がある。
また、反復回数やキーの長さ等のパラメータは、セキュリティ要件に応じて適切に調整する必要がある。

セキュリティ上重要な用途では、専門家によって監査・検証されたライブラリや実装を使用することを強く推奨する。

以下の例では、ソルト値を使用して、PBKDF2アルゴリズムを適用してパスワードをハッシュ化している。

1. QRandomGenerator::global()->generate(16)を使用して、16バイトのランダムなソルト値を生成する。
2. pbkdf2関数において、QMessageAuthenticationCodeクラスを使用してPBKDF2アルゴリズムを実装する。
   • パスワードとソルト値を連結してHMAC（SHA-256）のキーとして設定する。
   • 指定された反復回数（iterations）だけHMACを繰り返し適用します。
   • 各反復で得られたハッシュ値をXORして、最終的な派生キーを生成します。
3. pbkdf2関数の引数として、パスワード、ソルト値、反復回数、キーの長さを指定する。
4. 生成されたハッシュ値 (派生キー) を16進数表記の文字列に変換して出力する。

 #include <QCoreApplication>
 #include <QMessageAuthenticationCode>
 #include <QRandomGenerator>
 #include <QDebug>
 
 QByteArray pbkdf2(const QString &password, const QByteArray &salt, int iterations, int keyLength)
 {
    QMessageAuthenticationCode hmac(QCryptographicHash::Sha256);
    QByteArray derivedKey(keyLength, Qt::Uninitialized);
 
    hmac.setKey(password.toUtf8() + salt);
 
    QByteArray U = hmac.result();
    QByteArray T = U;
 
    for (int i = 1; i < iterations; ++i) {
       hmac.addData(U);
       U = hmac.result();
       for (int j = 0; j < keyLength; ++j) {
          T[j] = T[j] ^ U[j];
       }
    }
 
    return T;
 }
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
    QCoreApplication a(argc, argv);
 
    // パスワード
    QString password = "myPassword";
 
    // ソルト値の生成
    QByteArray salt = QRandomGenerator::global()->generate(16).toHex();
 
    // PBKDF2パラメータ
    int iterations = 10000;
    int keyLength  = 32;
 
    // PBKDF2の適用
    QByteArray hashedPassword = pbkdf2(password, salt, iterations, keyLength);
 
    // 結果の出力
    qDebug() << "Password:" << password;
    qDebug() << "Salt:" << salt;
    qDebug() << "Iterations:" << iterations;
    qDebug() << "Key Length:" << keyLength;
    qDebug() << "Hashed Password:" << hashedPassword.toHex();
 
    return a.exec();
 }

QSslクラス

QSslクラスには、hashというスタティックメソッドが存在する。
このメソッドを使用することにより、指定されたアルゴリズムでデータのハッシュ値を計算することができる。

サポートされているアルゴリズムは、QCryptographicHashクラスと同様である。

ハッシュ化

以下の例では、QSsl::hashメソッドを使用して、任意の文字列をMD4、MD5、SHA-2、SHA-3でハッシュ化している。

QSsl::hashメソッドにおいて、第1引数にハッシュ化する文字列をUTF-8エンコードで渡して、第2引数に使用するハッシュアルゴリズムを指定する。
戻り値は、計算されたハッシュ値がQByteArray型である。

また、toHexメソッドを使用して、ハッシュ値を16進数表記の文字列に変換している。

出力は、QCryptographicHashクラスやQMessageAuthenticationCodeクラスを使用した場合と同値になる。

QSsl::hashメソッドは、QCryptographicHashクラスと同様のインターフェースを提供しているが、QSslクラスの一部として提供されている。
QSslクラスは、SSL/TLSの暗号化や認証に関連する機能を提供するクラスであるが、一般的なハッシュ化の用途では、QCryptographicHashクラスを使用するのが一般的である。

 #include <QCoreApplication>
 #include <QSslSocket>
 #include <QDebug>
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
    QCoreApplication a(argc, argv);
 
    // ハッシュ化する文字列
    QString input = "Hello, world!";
 
    // MD4
    QByteArray md4Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Md4).toHex();
    qDebug() << "MD4 Hash:" << md4Hash;
 
    // MD5
    QByteArray md5Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Md5).toHex();
    qDebug() << "MD5 Hash:" << md5Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-224)
    QByteArray sha224Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha224).toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-224) Hash:" << sha224Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-256)
    QByteArray sha256Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha256).toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-256) Hash:" << sha256Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-384)
    QByteArray sha384Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha384).toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-384) Hash:" << sha384Hash;
 
    // SHA-2 (SHA-512)
    QByteArray sha512Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha512).toHex();
    qDebug() << "SHA-2 (SHA-512) Hash:" << sha512Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-224)
    QByteArray sha3_224Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_224).toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-224) Hash:" << sha3_224Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-256)
    QByteArray sha3_256Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_256).toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-256) Hash:" << sha3_256Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-384)
    QByteArray sha3_384Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_384).toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-384) Hash:" << sha3_384Hash;
 
    // SHA-3 (SHA3-512)
    QByteArray sha3_512Hash = QSsl::hash(input.toUtf8(), QCryptographicHash::Sha3_512).toHex();
    qDebug() << "SHA-3 (SHA3-512) Hash:" << sha3_512Hash;
 
    return a.exec();
 }