Qtの基礎 - ハッシュ値のソースを表示

== 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。<br>
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。<br>
<br>
ハッシュの特徴を以下に示す。<br>
* 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。
<br>
ハッシュの用途を以下に示す。<br>
* 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。
<br>
代表的なハッシュアルゴリズムを以下に示す。<br>
* 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。
*: <br>
*: 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。
*: <br>
*: 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。
<br>
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。<br>
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。<br>
<br><br>

== 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、<code>QCryptographicHash</code>クラスの<code>hash</code>メソッドを使用する。<br>
<br>
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。<br>
<br>
サポートされているハッシュの詳細については、[http://doc.qt.io/qt-5/qcryptographichash.html#Algorithm-enum Qtの公式ドキュメント]を参照すること。<br>
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #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();
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
==== セキュリティ対策を施したハッシュ化の例 ====
<code>QCryptographicHash</code>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、<br>
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。<br>
<br>
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。<br>
<br>
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。<br>
* 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。
<br>
QtではPBKDF2を直接サポートするクラスは無いが、<code>QMessageAuthenticationCode</code>クラスと<code>QCryptographicHash</code>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。<br>
<br>
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。<br>
<br>
まず、<code>QRandomGenerator</code>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。<br>
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。<br>
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。<br>
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #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
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
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。<br>
<br><br>

== QMessageAuthenticationCodeクラス ==
==== ハッシュ化 ====
以下の例では、<code>QMessageAuthenticationCode</code>クラスを使用して、MD4、MD5、SHA-2、SHA-3でハッシュ化している。<br>
<br>
各ハッシュアルゴリズムに対して、<code>QMessageAuthenticationCode</code>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。<br>
<code>addData</code>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。<br>
<code>result</code>メソッドを使用してハッシュ値を取得し、<code>toHex</code>メソッドで16進数表記の文字列に変換する。<br>
<br>
出力結果は、<code>QCryptographicHash</code>クラスを使用した場合と同値となる。<br>
<br>
<code>QMessageAuthenticationCode</code>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。<br>
<u>ただし、一般的なハッシュ化の用途では、<code>QCryptographicHash</code>クラスを使用する方が簡潔で便利である。</u><br>
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #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();
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
==== 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。<br>
<br>
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。<br>
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。<br>
<br>
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。<br>
<br>
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。<br>
# 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。
# 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。
# 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。
# 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。
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #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();
 }
 </syntaxhighlight>
<br><br>

== QSslクラス ==
QSslクラスには、<code>hash</code>というスタティックメソッドが存在する。<br>
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。<br>
<br>
サポートされているアルゴリズムは、<code>QCryptographicHash</code>クラスと同様である。<br>
<br>
==== ハッシュ化 ====
以下の例では、<code>QSsl::hash</code>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。<br>
<br>
<code>QSsl::hash</code>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。<br>
戻り値は、計算されたハッシュ値が<code>QByteArray</code>型である。<br>
<br>
また、<code>toHex</code>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。<br>
<br>
<u>出力は、<code>QCryptographicHash</code>クラスや<code>QMessageAuthenticationCode</code>クラスを使用した場合と同値になる。</u><br>
<br>
<code>QSsl::hash</code>メソッドは、<code>QCryptographicHash</code>クラスと同様のインターフェースを提供しているが、<code>QSsl</code>クラスの一部として提供されている。<br>
<code>QSsl</code>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、<code>QCryptographicHash</code>クラスを使用するのが一般的である。<br>
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #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();
 }
 </syntaxhighlight>

<br><br>


__FORCETOC__
[[カテゴリ:Qt]]