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[git.git] / Documentation / technical / hash-function-transition.txt
blob417ba491d0f3fa06b60a47623a5f756919adcbd6
1 Git hash function transition
2 ============================
4 Objective
5 ---------
6 Migrate Git from SHA-1 to a stronger hash function.
8 Background
9 ----------
10 At its core, the Git version control system is a content addressable
11 filesystem. It uses the SHA-1 hash function to name content. For
12 example, files, directories, and revisions are referred to by hash
13 values unlike in other traditional version control systems where files
14 or versions are referred to via sequential numbers. The use of a hash
15 function to address its content delivers a few advantages:
17 * Integrity checking is easy. Bit flips, for example, are easily
18   detected, as the hash of corrupted content does not match its name.
19 * Lookup of objects is fast.
21 Using a cryptographically secure hash function brings additional
22 advantages:
24 * Object names can be signed and third parties can trust the hash to
25   address the signed object and all objects it references.
26 * Communication using Git protocol and out of band communication
27   methods have a short reliable string that can be used to reliably
28   address stored content.
30 Over time some flaws in SHA-1 have been discovered by security
31 researchers. https://shattered.io demonstrated a practical SHA-1 hash
32 collision. As a result, SHA-1 cannot be considered cryptographically
33 secure any more. This impacts the communication of hash values because
34 we cannot trust that a given hash value represents the known good
35 version of content that the speaker intended.
37 SHA-1 still possesses the other properties such as fast object lookup
38 and safe error checking, but other hash functions are equally suitable
39 that are believed to be cryptographically secure.
41 Goals
42 -----
43 Where NewHash is a strong 256-bit hash function to replace SHA-1 (see
44 "Selection of a New Hash", below):
46 1. The transition to NewHash can be done one local repository at a time.
47    a. Requiring no action by any other party.
48    b. A NewHash repository can communicate with SHA-1 Git servers
49       (push/fetch).
50    c. Users can use SHA-1 and NewHash identifiers for objects
51       interchangeably (see "Object names on the command line", below).
52    d. New signed objects make use of a stronger hash function than
53       SHA-1 for their security guarantees.
54 2. Allow a complete transition away from SHA-1.
55    a. Local metadata for SHA-1 compatibility can be removed from a
56       repository if compatibility with SHA-1 is no longer needed.
57 3. Maintainability throughout the process.
58    a. The object format is kept simple and consistent.
59    b. Creation of a generalized repository conversion tool.
61 Non-Goals
62 ---------
63 1. Add NewHash support to Git protocol. This is valuable and the
64    logical next step but it is out of scope for this initial design.
65 2. Transparently improving the security of existing SHA-1 signed
66    objects.
67 3. Intermixing objects using multiple hash functions in a single
68    repository.
69 4. Taking the opportunity to fix other bugs in Git's formats and
70    protocols.
71 5. Shallow clones and fetches into a NewHash repository. (This will
72    change when we add NewHash support to Git protocol.)
73 6. Skip fetching some submodules of a project into a NewHash
74    repository. (This also depends on NewHash support in Git
75    protocol.)
77 Overview
78 --------
79 We introduce a new repository format extension. Repositories with this
80 extension enabled use NewHash instead of SHA-1 to name their objects.
81 This affects both object names and object content --- both the names
82 of objects and all references to other objects within an object are
83 switched to the new hash function.
85 NewHash repositories cannot be read by older versions of Git.
87 Alongside the packfile, a NewHash repository stores a bidirectional
88 mapping between NewHash and SHA-1 object names. The mapping is generated
89 locally and can be verified using "git fsck". Object lookups use this
90 mapping to allow naming objects using either their SHA-1 and NewHash names
91 interchangeably.
93 "git cat-file" and "git hash-object" gain options to display an object
94 in its sha1 form and write an object given its sha1 form. This
95 requires all objects referenced by that object to be present in the
96 object database so that they can be named using the appropriate name
97 (using the bidirectional hash mapping).
99 Fetches from a SHA-1 based server convert the fetched objects into
100 NewHash form and record the mapping in the bidirectional mapping table
101 (see below for details). Pushes to a SHA-1 based server convert the
102 objects being pushed into sha1 form so the server does not have to be
103 aware of the hash function the client is using.
105 Detailed Design
106 ---------------
107 Repository format extension
108 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
109 A NewHash repository uses repository format version `1` (see
110 Documentation/technical/repository-version.txt) with extensions
111 `objectFormat` and `compatObjectFormat`:
113         [core]
114                 repositoryFormatVersion = 1
115         [extensions]
116                 objectFormat = newhash
117                 compatObjectFormat = sha1
119 Specifying a repository format extension ensures that versions of Git
120 not aware of NewHash do not try to operate on these repositories,
121 instead producing an error message:
123         $ git status
124         fatal: unknown repository extensions found:
125                 objectformat
126                 compatobjectformat
128 See the "Transition plan" section below for more details on these
129 repository extensions.
131 Object names
132 ~~~~~~~~~~~~
133 Objects can be named by their 40 hexadecimal digit sha1-name or 64
134 hexadecimal digit newhash-name, plus names derived from those (see
135 gitrevisions(7)).
137 The sha1-name of an object is the SHA-1 of the concatenation of its
138 type, length, a nul byte, and the object's sha1-content. This is the
139 traditional <sha1> used in Git to name objects.
141 The newhash-name of an object is the NewHash of the concatenation of its
142 type, length, a nul byte, and the object's newhash-content.
144 Object format
145 ~~~~~~~~~~~~~
146 The content as a byte sequence of a tag, commit, or tree object named
147 by sha1 and newhash differ because an object named by newhash-name refers to
148 other objects by their newhash-names and an object named by sha1-name
149 refers to other objects by their sha1-names.
151 The newhash-content of an object is the same as its sha1-content, except
152 that objects referenced by the object are named using their newhash-names
153 instead of sha1-names. Because a blob object does not refer to any
154 other object, its sha1-content and newhash-content are the same.
156 The format allows round-trip conversion between newhash-content and
157 sha1-content.
159 Object storage
160 ~~~~~~~~~~~~~~
161 Loose objects use zlib compression and packed objects use the packed
162 format described in Documentation/technical/pack-format.txt, just like
163 today. The content that is compressed and stored uses newhash-content
164 instead of sha1-content.
166 Pack index
167 ~~~~~~~~~~
168 Pack index (.idx) files use a new v3 format that supports multiple
169 hash functions. They have the following format (all integers are in
170 network byte order):
172 - A header appears at the beginning and consists of the following:
173   - The 4-byte pack index signature: '\377t0c'
174   - 4-byte version number: 3
175   - 4-byte length of the header section, including the signature and
176     version number
177   - 4-byte number of objects contained in the pack
178   - 4-byte number of object formats in this pack index: 2
179   - For each object format:
180     - 4-byte format identifier (e.g., 'sha1' for SHA-1)
181     - 4-byte length in bytes of shortened object names. This is the
182       shortest possible length needed to make names in the shortened
183       object name table unambiguous.
184     - 4-byte integer, recording where tables relating to this format
185       are stored in this index file, as an offset from the beginning.
186   - 4-byte offset to the trailer from the beginning of this file.
187   - Zero or more additional key/value pairs (4-byte key, 4-byte
188     value). Only one key is supported: 'PSRC'. See the "Loose objects
189     and unreachable objects" section for supported values and how this
190     is used.  All other keys are reserved. Readers must ignore
191     unrecognized keys.
192 - Zero or more NUL bytes. This can optionally be used to improve the
193   alignment of the full object name table below.
194 - Tables for the first object format:
195   - A sorted table of shortened object names.  These are prefixes of
196     the names of all objects in this pack file, packed together
197     without offset values to reduce the cache footprint of the binary
198     search for a specific object name.
200   - A table of full object names in pack order. This allows resolving
201     a reference to "the nth object in the pack file" (from a
202     reachability bitmap or from the next table of another object
203     format) to its object name.
205   - A table of 4-byte values mapping object name order to pack order.
206     For an object in the table of sorted shortened object names, the
207     value at the corresponding index in this table is the index in the
208     previous table for that same object.
210     This can be used to look up the object in reachability bitmaps or
211     to look up its name in another object format.
213   - A table of 4-byte CRC32 values of the packed object data, in the
214     order that the objects appear in the pack file. This is to allow
215     compressed data to be copied directly from pack to pack during
216     repacking without undetected data corruption.
218   - A table of 4-byte offset values. For an object in the table of
219     sorted shortened object names, the value at the corresponding
220     index in this table indicates where that object can be found in
221     the pack file. These are usually 31-bit pack file offsets, but
222     large offsets are encoded as an index into the next table with the
223     most significant bit set.
225   - A table of 8-byte offset entries (empty for pack files less than
226     2 GiB). Pack files are organized with heavily used objects toward
227     the front, so most object references should not need to refer to
228     this table.
229 - Zero or more NUL bytes.
230 - Tables for the second object format, with the same layout as above,
231   up to and not including the table of CRC32 values.
232 - Zero or more NUL bytes.
233 - The trailer consists of the following:
234   - A copy of the 20-byte NewHash checksum at the end of the
235     corresponding packfile.
237   - 20-byte NewHash checksum of all of the above.
239 Loose object index
240 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
241 A new file $GIT_OBJECT_DIR/loose-object-idx contains information about
242 all loose objects. Its format is
244   # loose-object-idx
245   (newhash-name SP sha1-name LF)*
247 where the object names are in hexadecimal format. The file is not
248 sorted.
250 The loose object index is protected against concurrent writes by a
251 lock file $GIT_OBJECT_DIR/loose-object-idx.lock. To add a new loose
252 object:
254 1. Write the loose object to a temporary file, like today.
255 2. Open loose-object-idx.lock with O_CREAT | O_EXCL to acquire the lock.
256 3. Rename the loose object into place.
257 4. Open loose-object-idx with O_APPEND and write the new object
258 5. Unlink loose-object-idx.lock to release the lock.
260 To remove entries (e.g. in "git pack-refs" or "git-prune"):
262 1. Open loose-object-idx.lock with O_CREAT | O_EXCL to acquire the
263    lock.
264 2. Write the new content to loose-object-idx.lock.
265 3. Unlink any loose objects being removed.
266 4. Rename to replace loose-object-idx, releasing the lock.
268 Translation table
269 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
270 The index files support a bidirectional mapping between sha1-names
271 and newhash-names. The lookup proceeds similarly to ordinary object
272 lookups. For example, to convert a sha1-name to a newhash-name:
274  1. Look for the object in idx files. If a match is present in the
275     idx's sorted list of truncated sha1-names, then:
276     a. Read the corresponding entry in the sha1-name order to pack
277        name order mapping.
278     b. Read the corresponding entry in the full sha1-name table to
279        verify we found the right object. If it is, then
280     c. Read the corresponding entry in the full newhash-name table.
281        That is the object's newhash-name.
282  2. Check for a loose object. Read lines from loose-object-idx until
283     we find a match.
285 Step (1) takes the same amount of time as an ordinary object lookup:
286 O(number of packs * log(objects per pack)). Step (2) takes O(number of
287 loose objects) time. To maintain good performance it will be necessary
288 to keep the number of loose objects low. See the "Loose objects and
289 unreachable objects" section below for more details.
291 Since all operations that make new objects (e.g., "git commit") add
292 the new objects to the corresponding index, this mapping is possible
293 for all objects in the object store.
295 Reading an object's sha1-content
296 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
297 The sha1-content of an object can be read by converting all newhash-names
298 its newhash-content references to sha1-names using the translation table.
300 Fetch
301 ~~~~~
302 Fetching from a SHA-1 based server requires translating between SHA-1
303 and NewHash based representations on the fly.
305 SHA-1s named in the ref advertisement that are present on the client
306 can be translated to NewHash and looked up as local objects using the
307 translation table.
309 Negotiation proceeds as today. Any "have"s generated locally are
310 converted to SHA-1 before being sent to the server, and SHA-1s
311 mentioned by the server are converted to NewHash when looking them up
312 locally.
314 After negotiation, the server sends a packfile containing the
315 requested objects. We convert the packfile to NewHash format using
316 the following steps:
318 1. index-pack: inflate each object in the packfile and compute its
319    SHA-1. Objects can contain deltas in OBJ_REF_DELTA format against
320    objects the client has locally. These objects can be looked up
321    using the translation table and their sha1-content read as
322    described above to resolve the deltas.
323 2. topological sort: starting at the "want"s from the negotiation
324    phase, walk through objects in the pack and emit a list of them,
325    excluding blobs, in reverse topologically sorted order, with each
326    object coming later in the list than all objects it references.
327    (This list only contains objects reachable from the "wants". If the
328    pack from the server contained additional extraneous objects, then
329    they will be discarded.)
330 3. convert to newhash: open a new (newhash) packfile. Read the topologically
331    sorted list just generated. For each object, inflate its
332    sha1-content, convert to newhash-content, and write it to the newhash
333    pack. Record the new sha1<->newhash mapping entry for use in the idx.
334 4. sort: reorder entries in the new pack to match the order of objects
335    in the pack the server generated and include blobs. Write a newhash idx
336    file
337 5. clean up: remove the SHA-1 based pack file, index, and
338    topologically sorted list obtained from the server in steps 1
339    and 2.
341 Step 3 requires every object referenced by the new object to be in the
342 translation table. This is why the topological sort step is necessary.
344 As an optimization, step 1 could write a file describing what non-blob
345 objects each object it has inflated from the packfile references. This
346 makes the topological sort in step 2 possible without inflating the
347 objects in the packfile for a second time. The objects need to be
348 inflated again in step 3, for a total of two inflations.
350 Step 4 is probably necessary for good read-time performance. "git
351 pack-objects" on the server optimizes the pack file for good data
352 locality (see Documentation/technical/pack-heuristics.txt).
354 Details of this process are likely to change. It will take some
355 experimenting to get this to perform well.
357 Push
358 ~~~~
359 Push is simpler than fetch because the objects referenced by the
360 pushed objects are already in the translation table. The sha1-content
361 of each object being pushed can be read as described in the "Reading
362 an object's sha1-content" section to generate the pack written by git
363 send-pack.
365 Signed Commits
366 ~~~~~~~~~~~~~~
367 We add a new field "gpgsig-newhash" to the commit object format to allow
368 signing commits without relying on SHA-1. It is similar to the
369 existing "gpgsig" field. Its signed payload is the newhash-content of the
370 commit object with any "gpgsig" and "gpgsig-newhash" fields removed.
372 This means commits can be signed
373 1. using SHA-1 only, as in existing signed commit objects
374 2. using both SHA-1 and NewHash, by using both gpgsig-newhash and gpgsig
375    fields.
376 3. using only NewHash, by only using the gpgsig-newhash field.
378 Old versions of "git verify-commit" can verify the gpgsig signature in
379 cases (1) and (2) without modifications and view case (3) as an
380 ordinary unsigned commit.
382 Signed Tags
383 ~~~~~~~~~~~
384 We add a new field "gpgsig-newhash" to the tag object format to allow
385 signing tags without relying on SHA-1. Its signed payload is the
386 newhash-content of the tag with its gpgsig-newhash field and "-----BEGIN PGP
387 SIGNATURE-----" delimited in-body signature removed.
389 This means tags can be signed
390 1. using SHA-1 only, as in existing signed tag objects
391 2. using both SHA-1 and NewHash, by using gpgsig-newhash and an in-body
392    signature.
393 3. using only NewHash, by only using the gpgsig-newhash field.
395 Mergetag embedding
396 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
397 The mergetag field in the sha1-content of a commit contains the
398 sha1-content of a tag that was merged by that commit.
400 The mergetag field in the newhash-content of the same commit contains the
401 newhash-content of the same tag.
403 Submodules
404 ~~~~~~~~~~
405 To convert recorded submodule pointers, you need to have the converted
406 submodule repository in place. The translation table of the submodule
407 can be used to look up the new hash.
409 Loose objects and unreachable objects
410 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
411 Fast lookups in the loose-object-idx require that the number of loose
412 objects not grow too high.
414 "git gc --auto" currently waits for there to be 6700 loose objects
415 present before consolidating them into a packfile. We will need to
416 measure to find a more appropriate threshold for it to use.
418 "git gc --auto" currently waits for there to be 50 packs present
419 before combining packfiles. Packing loose objects more aggressively
420 may cause the number of pack files to grow too quickly. This can be
421 mitigated by using a strategy similar to Martin Fick's exponential
422 rolling garbage collection script:
423 https://gerrit-review.googlesource.com/c/gerrit/+/35215
425 "git gc" currently expels any unreachable objects it encounters in
426 pack files to loose objects in an attempt to prevent a race when
427 pruning them (in case another process is simultaneously writing a new
428 object that refers to the about-to-be-deleted object). This leads to
429 an explosion in the number of loose objects present and disk space
430 usage due to the objects in delta form being replaced with independent
431 loose objects.  Worse, the race is still present for loose objects.
433 Instead, "git gc" will need to move unreachable objects to a new
434 packfile marked as UNREACHABLE_GARBAGE (using the PSRC field; see
435 below). To avoid the race when writing new objects referring to an
436 about-to-be-deleted object, code paths that write new objects will
437 need to copy any objects from UNREACHABLE_GARBAGE packs that they
438 refer to to new, non-UNREACHABLE_GARBAGE packs (or loose objects).
439 UNREACHABLE_GARBAGE are then safe to delete if their creation time (as
440 indicated by the file's mtime) is long enough ago.
442 To avoid a proliferation of UNREACHABLE_GARBAGE packs, they can be
443 combined under certain circumstances. If "gc.garbageTtl" is set to
444 greater than one day, then packs created within a single calendar day,
445 UTC, can be coalesced together. The resulting packfile would have an
446 mtime before midnight on that day, so this makes the effective maximum
447 ttl the garbageTtl + 1 day. If "gc.garbageTtl" is less than one day,
448 then we divide the calendar day into intervals one-third of that ttl
449 in duration. Packs created within the same interval can be coalesced
450 together. The resulting packfile would have an mtime before the end of
451 the interval, so this makes the effective maximum ttl equal to the
452 garbageTtl * 4/3.
454 This rule comes from Thirumala Reddy Mutchukota's JGit change
455 https://git.eclipse.org/r/90465.
457 The UNREACHABLE_GARBAGE setting goes in the PSRC field of the pack
458 index. More generally, that field indicates where a pack came from:
460  - 1 (PACK_SOURCE_RECEIVE) for a pack received over the network
461  - 2 (PACK_SOURCE_AUTO) for a pack created by a lightweight
462    "gc --auto" operation
463  - 3 (PACK_SOURCE_GC) for a pack created by a full gc
464  - 4 (PACK_SOURCE_UNREACHABLE_GARBAGE) for potential garbage
465    discovered by gc
466  - 5 (PACK_SOURCE_INSERT) for locally created objects that were
467    written directly to a pack file, e.g. from "git add ."
469 This information can be useful for debugging and for "gc --auto" to
470 make appropriate choices about which packs to coalesce.
472 Caveats
473 -------
474 Invalid objects
475 ~~~~~~~~~~~~~~~
476 The conversion from sha1-content to newhash-content retains any
477 brokenness in the original object (e.g., tree entry modes encoded with
478 leading 0, tree objects whose paths are not sorted correctly, and
479 commit objects without an author or committer). This is a deliberate
480 feature of the design to allow the conversion to round-trip.
482 More profoundly broken objects (e.g., a commit with a truncated "tree"
483 header line) cannot be converted but were not usable by current Git
484 anyway.
486 Shallow clone and submodules
487 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
488 Because it requires all referenced objects to be available in the
489 locally generated translation table, this design does not support
490 shallow clone or unfetched submodules. Protocol improvements might
491 allow lifting this restriction.
493 Alternates
494 ~~~~~~~~~~
495 For the same reason, a newhash repository cannot borrow objects from a
496 sha1 repository using objects/info/alternates or
497 $GIT_ALTERNATE_OBJECT_REPOSITORIES.
499 git notes
500 ~~~~~~~~~
501 The "git notes" tool annotates objects using their sha1-name as key.
502 This design does not describe a way to migrate notes trees to use
503 newhash-names. That migration is expected to happen separately (for
504 example using a file at the root of the notes tree to describe which
505 hash it uses).
507 Server-side cost
508 ~~~~~~~~~~~~~~~~
509 Until Git protocol gains NewHash support, using NewHash based storage
510 on public-facing Git servers is strongly discouraged. Once Git
511 protocol gains NewHash support, NewHash based servers are likely not
512 to support SHA-1 compatibility, to avoid what may be a very expensive
513 hash reencode during clone and to encourage peers to modernize.
515 The design described here allows fetches by SHA-1 clients of a
516 personal NewHash repository because it's not much more difficult than
517 allowing pushes from that repository. This support needs to be guarded
518 by a configuration option --- servers like git.kernel.org that serve a
519 large number of clients would not be expected to bear that cost.
521 Meaning of signatures
522 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
523 The signed payload for signed commits and tags does not explicitly
524 name the hash used to identify objects. If some day Git adopts a new
525 hash function with the same length as the current SHA-1 (40
526 hexadecimal digit) or NewHash (64 hexadecimal digit) objects then the
527 intent behind the PGP signed payload in an object signature is
528 unclear:
530         object e7e07d5a4fcc2a203d9873968ad3e6bd4d7419d7
531         type commit
532         tag v2.12.0
533         tagger Junio C Hamano <gitster@pobox.com> 1487962205 -0800
535         Git 2.12
537 Does this mean Git v2.12.0 is the commit with sha1-name
538 e7e07d5a4fcc2a203d9873968ad3e6bd4d7419d7 or the commit with
539 new-40-digit-hash-name e7e07d5a4fcc2a203d9873968ad3e6bd4d7419d7?
541 Fortunately NewHash and SHA-1 have different lengths. If Git starts
542 using another hash with the same length to name objects, then it will
543 need to change the format of signed payloads using that hash to
544 address this issue.
546 Object names on the command line
547 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
548 To support the transition (see Transition plan below), this design
549 supports four different modes of operation:
551  1. ("dark launch") Treat object names input by the user as SHA-1 and
552     convert any object names written to output to SHA-1, but store
553     objects using NewHash.  This allows users to test the code with no
554     visible behavior change except for performance.  This allows
555     allows running even tests that assume the SHA-1 hash function, to
556     sanity-check the behavior of the new mode.
558  2. ("early transition") Allow both SHA-1 and NewHash object names in
559     input. Any object names written to output use SHA-1. This allows
560     users to continue to make use of SHA-1 to communicate with peers
561     (e.g. by email) that have not migrated yet and prepares for mode 3.
563  3. ("late transition") Allow both SHA-1 and NewHash object names in
564     input. Any object names written to output use NewHash. In this
565     mode, users are using a more secure object naming method by
566     default.  The disruption is minimal as long as most of their peers
567     are in mode 2 or mode 3.
569  4. ("post-transition") Treat object names input by the user as
570     NewHash and write output using NewHash. This is safer than mode 3
571     because there is less risk that input is incorrectly interpreted
572     using the wrong hash function.
574 The mode is specified in configuration.
576 The user can also explicitly specify which format to use for a
577 particular revision specifier and for output, overriding the mode. For
578 example:
580 git --output-format=sha1 log abac87a^{sha1}..f787cac^{newhash}
582 Selection of a New Hash
583 -----------------------
584 In early 2005, around the time that Git was written,  Xiaoyun Wang,
585 Yiqun Lisa Yin, and Hongbo Yu announced an attack finding SHA-1
586 collisions in 2^69 operations. In August they published details.
587 Luckily, no practical demonstrations of a collision in full SHA-1 were
588 published until 10 years later, in 2017.
590 The hash function NewHash to replace SHA-1 should be stronger than
591 SHA-1 was: we would like it to be trustworthy and useful in practice
592 for at least 10 years.
594 Some other relevant properties:
596 1. A 256-bit hash (long enough to match common security practice; not
597    excessively long to hurt performance and disk usage).
599 2. High quality implementations should be widely available (e.g. in
600    OpenSSL).
602 3. The hash function's properties should match Git's needs (e.g. Git
603    requires collision and 2nd preimage resistance and does not require
604    length extension resistance).
606 4. As a tiebreaker, the hash should be fast to compute (fortunately
607    many contenders are faster than SHA-1).
609 Some hashes under consideration are SHA-256, SHA-512/256, SHA-256x16,
610 K12, and BLAKE2bp-256.
612 Transition plan
613 ---------------
614 Some initial steps can be implemented independently of one another:
615 - adding a hash function API (vtable)
616 - teaching fsck to tolerate the gpgsig-newhash field
617 - excluding gpgsig-* from the fields copied by "git commit --amend"
618 - annotating tests that depend on SHA-1 values with a SHA1 test
619   prerequisite
620 - using "struct object_id", GIT_MAX_RAWSZ, and GIT_MAX_HEXSZ
621   consistently instead of "unsigned char *" and the hardcoded
622   constants 20 and 40.
623 - introducing index v3
624 - adding support for the PSRC field and safer object pruning
627 The first user-visible change is the introduction of the objectFormat
628 extension (without compatObjectFormat). This requires:
629 - implementing the loose-object-idx
630 - teaching fsck about this mode of operation
631 - using the hash function API (vtable) when computing object names
632 - signing objects and verifying signatures
633 - rejecting attempts to fetch from or push to an incompatible
634   repository
636 Next comes introduction of compatObjectFormat:
637 - translating object names between object formats
638 - translating object content between object formats
639 - generating and verifying signatures in the compat format
640 - adding appropriate index entries when adding a new object to the
641   object store
642 - --output-format option
643 - ^{sha1} and ^{newhash} revision notation
644 - configuration to specify default input and output format (see
645   "Object names on the command line" above)
647 The next step is supporting fetches and pushes to SHA-1 repositories:
648 - allow pushes to a repository using the compat format
649 - generate a topologically sorted list of the SHA-1 names of fetched
650   objects
651 - convert the fetched packfile to newhash format and generate an idx
652   file
653 - re-sort to match the order of objects in the fetched packfile
655 The infrastructure supporting fetch also allows converting an existing
656 repository. In converted repositories and new clones, end users can
657 gain support for the new hash function without any visible change in
658 behavior (see "dark launch" in the "Object names on the command line"
659 section). In particular this allows users to verify NewHash signatures
660 on objects in the repository, and it should ensure the transition code
661 is stable in production in preparation for using it more widely.
663 Over time projects would encourage their users to adopt the "early
664 transition" and then "late transition" modes to take advantage of the
665 new, more futureproof NewHash object names.
667 When objectFormat and compatObjectFormat are both set, commands
668 generating signatures would generate both SHA-1 and NewHash signatures
669 by default to support both new and old users.
671 In projects using NewHash heavily, users could be encouraged to adopt
672 the "post-transition" mode to avoid accidentally making implicit use
673 of SHA-1 object names.
675 Once a critical mass of users have upgraded to a version of Git that
676 can verify NewHash signatures and have converted their existing
677 repositories to support verifying them, we can add support for a
678 setting to generate only NewHash signatures. This is expected to be at
679 least a year later.
681 That is also a good moment to advertise the ability to convert
682 repositories to use NewHash only, stripping out all SHA-1 related
683 metadata. This improves performance by eliminating translation
684 overhead and security by avoiding the possibility of accidentally
685 relying on the safety of SHA-1.
687 Updating Git's protocols to allow a server to specify which hash
688 functions it supports is also an important part of this transition. It
689 is not discussed in detail in this document but this transition plan
690 assumes it happens. :)
692 Alternatives considered
693 -----------------------
694 Upgrading everyone working on a particular project on a flag day
695 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
696 Projects like the Linux kernel are large and complex enough that
697 flipping the switch for all projects based on the repository at once
698 is infeasible.
700 Not only would all developers and server operators supporting
701 developers have to switch on the same flag day, but supporting tooling
702 (continuous integration, code review, bug trackers, etc) would have to
703 be adapted as well. This also makes it difficult to get early feedback
704 from some project participants testing before it is time for mass
705 adoption.
707 Using hash functions in parallel
708 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
709 (e.g. https://public-inbox.org/git/22708.8913.864049.452252@chiark.greenend.org.uk/ )
710 Objects newly created would be addressed by the new hash, but inside
711 such an object (e.g. commit) it is still possible to address objects
712 using the old hash function.
713 * You cannot trust its history (needed for bisectability) in the
714   future without further work
715 * Maintenance burden as the number of supported hash functions grows
716   (they will never go away, so they accumulate). In this proposal, by
717   comparison, converted objects lose all references to SHA-1.
719 Signed objects with multiple hashes
720 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
721 Instead of introducing the gpgsig-newhash field in commit and tag objects
722 for newhash-content based signatures, an earlier version of this design
723 added "hash newhash <newhash-name>" fields to strengthen the existing
724 sha1-content based signatures.
726 In other words, a single signature was used to attest to the object
727 content using both hash functions. This had some advantages:
728 * Using one signature instead of two speeds up the signing process.
729 * Having one signed payload with both hashes allows the signer to
730   attest to the sha1-name and newhash-name referring to the same object.
731 * All users consume the same signature. Broken signatures are likely
732   to be detected quickly using current versions of git.
734 However, it also came with disadvantages:
735 * Verifying a signed object requires access to the sha1-names of all
736   objects it references, even after the transition is complete and
737   translation table is no longer needed for anything else. To support
738   this, the design added fields such as "hash sha1 tree <sha1-name>"
739   and "hash sha1 parent <sha1-name>" to the newhash-content of a signed
740   commit, complicating the conversion process.
741 * Allowing signed objects without a sha1 (for after the transition is
742   complete) complicated the design further, requiring a "nohash sha1"
743   field to suppress including "hash sha1" fields in the newhash-content
744   and signed payload.
746 Lazily populated translation table
747 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
748 Some of the work of building the translation table could be deferred to
749 push time, but that would significantly complicate and slow down pushes.
750 Calculating the sha1-name at object creation time at the same time it is
751 being streamed to disk and having its newhash-name calculated should be
752 an acceptable cost.
754 Document History
755 ----------------
757 2017-03-03
758 bmwill@google.com, jonathantanmy@google.com, jrnieder@gmail.com,
759 sbeller@google.com
761 Initial version sent to
762 http://public-inbox.org/git/20170304011251.GA26789@aiede.mtv.corp.google.com
764 2017-03-03 jrnieder@gmail.com
765 Incorporated suggestions from jonathantanmy and sbeller:
766 * describe purpose of signed objects with each hash type
767 * redefine signed object verification using object content under the
768   first hash function
770 2017-03-06 jrnieder@gmail.com
771 * Use SHA3-256 instead of SHA2 (thanks, Linus and brian m. carlson).[1][2]
772 * Make sha3-based signatures a separate field, avoiding the need for
773   "hash" and "nohash" fields (thanks to peff[3]).
774 * Add a sorting phase to fetch (thanks to Junio for noticing the need
775   for this).
776 * Omit blobs from the topological sort during fetch (thanks to peff).
777 * Discuss alternates, git notes, and git servers in the caveats
778   section (thanks to Junio Hamano, brian m. carlson[4], and Shawn
779   Pearce).
780 * Clarify language throughout (thanks to various commenters,
781   especially Junio).
783 2017-09-27 jrnieder@gmail.com, sbeller@google.com
784 * use placeholder NewHash instead of SHA3-256
785 * describe criteria for picking a hash function.
786 * include a transition plan (thanks especially to Brandon Williams
787   for fleshing these ideas out)
788 * define the translation table (thanks, Shawn Pearce[5], Jonathan
789   Tan, and Masaya Suzuki)
790 * avoid loose object overhead by packing more aggressively in
791   "git gc --auto"
793 [1] http://public-inbox.org/git/CA+55aFzJtejiCjV0e43+9oR3QuJK2PiFiLQemytoLpyJWe6P9w@mail.gmail.com/
794 [2] http://public-inbox.org/git/CA+55aFz+gkAsDZ24zmePQuEs1XPS9BP_s8O7Q4wQ7LV7X5-oDA@mail.gmail.com/
795 [3] http://public-inbox.org/git/20170306084353.nrns455dvkdsfgo5@sigill.intra.peff.net/
796 [4] http://public-inbox.org/git/20170304224936.rqqtkdvfjgyezsht@genre.crustytoothpaste.net
797 [5] https://public-inbox.org/git/CAJo=hJtoX9=AyLHHpUJS7fueV9ciZ_MNpnEPHUz8Whui6g9F0A@mail.gmail.com/