前面一篇中我們分析了SHA的原理，并且以SHA1為例實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的算法，在這一片中我們將進(jìn)一步分析SHA2并實(shí)現(xiàn)之。

1、SHA簡(jiǎn)述

前面的篇章中我們已經(jīng)說(shuō)明過(guò)，SHA實(shí)際包括有一系列算法，分別是SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384以及SHA-512。而我們所說(shuō)的SHA2實(shí)際是對(duì)后面4中的統(tǒng)稱(chēng)。各種SHA算法的數(shù)據(jù)比較如下表，其中的長(zhǎng)度單位均為位：

類(lèi)別	SHA-1	SHA-224	SHA-256	SHA-384	SHA-512
消息摘要長(zhǎng)度	160	224	256	384	512
消息長(zhǎng)度	小于 位	小于 位	小于 位	小于 位	小于 位
分組長(zhǎng)度	512	512	512	1024	1024
計(jì)算字長(zhǎng)度	32	32	32	64	64
計(jì)算步驟數(shù)	80	64	64	80	80

從上表中我們不難發(fā)現(xiàn)，SHA-224和SHA-256、SHA-384和SHA-512在消息長(zhǎng)度、分組長(zhǎng)度、計(jì)算字長(zhǎng)以及計(jì)算步驟各方面分別都是一致的。事實(shí)上通常認(rèn)為SHA-224是SHA-256的縮減版，而SHA-384是SHA-512的縮減版。所以在接下來(lái)的討論中，我們把SHA-224和SHA-256作為一組，而把SHA-384和SHA-512作為另一組來(lái)討論。在這一篇我們先來(lái)分析和實(shí)現(xiàn)SHA-224和SHA-256算法。

2、消息的填充與解析

在這里我們討論的散列函數(shù)用于在計(jì)算機(jī)中將根據(jù)作為輸入消息或者數(shù)據(jù)文件生成其對(duì)應(yīng)的信息摘要。消息或數(shù)據(jù)文件通常被作為是位字符串。消息的長(zhǎng)度是消息中的比特?cái)?shù)(空消息的長(zhǎng)度為0)。如果消息中的比特?cái)?shù)是8的倍數(shù)，那么我們就可以用十六進(jìn)制來(lái)表示消息的緊湊性。消息填充的目的是為了在消息填充后，在SHA-224和SHA-256中消息的長(zhǎng)度正好是512位的整數(shù)倍。

接下來(lái)我們說(shuō)明消息或者數(shù)據(jù)文件將如何實(shí)現(xiàn)填充。總的來(lái)說(shuō)就是，先添加一個(gè)“1”，再后跟多個(gè)“0”，然后再追加一個(gè)64位的消息長(zhǎng)度信息，使得填充完成后的消息長(zhǎng)度正好是512位的整數(shù)倍。追加的64位的消息長(zhǎng)度信息是原始消息的位長(zhǎng)，填充完成的消息會(huì)被分成512位的消息分組。

對(duì)于SHA-224和SHA-256來(lái)說(shuō)消息的最大長(zhǎng)度L<264，在對(duì)消息進(jìn)行散列運(yùn)算之前需要對(duì)消息做相應(yīng)的填充處理。

首先，在原始信息之后填充一個(gè)“1”，例如：如果原始信息是"01010000",完成這一填充之后就是"010100001"。

接下來(lái)，在完成上一步填充后，在其后面需天充一定數(shù)量的“0”，數(shù)量記為K，則K的取值必須是滿(mǎn)足下述表達(dá)式的最小非負(fù)整數(shù)值。

( L + 1 + K ) mod 512 =448

最后，在填充完必的消息后，追加64位的原始消息長(zhǎng)度，因?yàn)橄⒌拈L(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)264位，所以其長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的值不會(huì)超過(guò)64位。填充完畢后，所有的消息分組都將是一個(gè)512位。

3、迭代函數(shù)與常數(shù)

SHA算法這類(lèi)散列算法的計(jì)算過(guò)程都需要用到邏輯函數(shù)和計(jì)算常量。但由于具體算法的不同所使用的具體的函數(shù)和常數(shù)略有差別。我們?cè)谇懊娴钠轮姓f(shuō)過(guò)MD5和SHA1，它們都有4個(gè)邏輯函數(shù)，而在SHA2的一系列算法中都采用了6個(gè)邏輯函數(shù)。接下來(lái)將說(shuō)明SHA-224和SHA-256的邏輯函數(shù)和常量。

SHA-224和SHA-256采用6個(gè)邏輯函數(shù)，每個(gè)函數(shù)均基于32位字運(yùn)算，這些輸入的32位字我們記為x、y、z，同樣的這些函數(shù)的計(jì)算結(jié)果也是一個(gè)32位字。這些邏輯函數(shù)表示如下：

????????CH( x, y, z) = (x AND y)XOR ( (NOT x) AND z)

????????MAJ( x, y, z) = (x AND y)XOR (x AND z) XOR (y AND z)

????????BSIG0(x) = ROTR^2(x) XORROTR^13(x) XOR ROTR^22(x)

????????BSIG1(x) = ROTR^6(x) XORROTR^11(x) XOR ROTR^25(x)

????????SSIG0(x) = ROTR^7(x) XORROTR^18(x) XOR SHR^3(x)

????????SSIG1(x) = ROTR^17(x) XORROTR^19(x) XOR SHR^10(x)

SHA-224和SHA-256采用相同的，64個(gè)32位的常數(shù)序列。通常記為：K0、K1、……、K63，這些常數(shù)的取值是前64個(gè)質(zhì)數(shù)的立方根的小數(shù)部分的前32位。這些數(shù)以16進(jìn)制表示如下：

????????428a2f98 71374491 b5c0fbcf e9b5dba5 3956c25b 59f111f1 923f82a4 ab1c5ed5

????????d807aa98 12835b01 243185be 550c7dc3 72be5d74 80deb1fe 9bdc06a7 c19bf174

????????e49b69c1 efbe4786 0fc19dc6 240ca1cc 2de92c6f 4a7484aa 5cb0a9dc 76f988da

????????983e5152 a831c66d b00327c8 bf597fc7 c6e00bf3 d5a79147 06ca6351 14292967

????????27b70a85 2e1b2138 4d2c6dfc 53380d13 650a7354 766a0abb 81c2c92e 92722c85

????????a2bfe8a1 a81a664b c24b8b70 c76c51a3 d192e819 d6990624 f40e3585 106aa070

????????19a4c116 1e376c08 2748774c 34b0bcb5 391c0cb3 4ed8aa4a 5b9cca4f 682e6ff3

????????748f82ee 78a5636f 84c87814 8cc70208 90befffa a4506ceb bef9a3f7 c67178f2

4、計(jì)算過(guò)程

前面，我們已經(jīng)介紹了消息的預(yù)處理及散列邏輯函數(shù)，接下來(lái)我們將說(shuō)明摘要的計(jì)算過(guò)程。

每個(gè)安全散列函數(shù)的輸出，在應(yīng)用到一個(gè)分為N個(gè)分組的消息后，結(jié)果記為散列量H(N)。對(duì)于SHA-224和SHA-256，H(i)可以被認(rèn)為是8個(gè)32位的字，記為：H(i)0、H(i)1、…、H(i)7。

散列字被初始化為一個(gè)特定的值，并在處理完每一個(gè)消息分組后對(duì)它進(jìn)行更新，并在處理最后一個(gè)塊后將其連接起來(lái)以產(chǎn)生輸出。對(duì)于SHA-256，所有的H(N)變量都是串聯(lián)的，而SHA-224散列值是通過(guò)最后連接時(shí)，省略一些而產(chǎn)生的。

接下來(lái)我們說(shuō)明一下SHA-224和SHA-256的計(jì)算過(guò)程。首先初始化鏈接變量。對(duì)于SHA-224來(lái)說(shuō)，初始散列值H(0)由以下8個(gè)32位的十六進(jìn)制數(shù)組成：

????????H(0)0 = c1059ed8

????????H(0)1 = 367cd507

????????H(0)2 = 3070dd17

????????H(0)3 = f70e5939

????????H(0)4 = ffc00b31

????????H(0)5 = 68581511

????????H(0)6 = 64f98fa7

????????H(0)7 = befa4fa4

而對(duì)于SHA-256來(lái)說(shuō)，初始散列值H(0)由以下8個(gè)32位的十六進(jìn)制數(shù)組成。這些字由前8個(gè)質(zhì)數(shù)的平方根的小數(shù)部分的錢(qián)32位組成。

????????H(0)0 = 6a09e667

????????H(0)1 = bb67ae85

????????H(0)2 = 3c6ef372

????????H(0)3 = a54ff53a

????????H(0)4 = 510e527f

????????H(0)5 = 9b05688c

????????H(0)6 = 1f83d9ab

????????H(0)7 = 5be0cd19

接下來(lái)我們描述一下摘要計(jì)算，SHA-224和SHA-256在消息分組執(zhí)行相同的處理，只在初始化H(0)和如何生成最終輸出的過(guò)程中有所不同。SHA-224和SHA-256可以用來(lái)散列處理長(zhǎng)度為L(zhǎng)位的消息，其中0 < L< =264。算法使用一個(gè)64個(gè)32位字的消息列表， 8個(gè)工作變量32位以及8個(gè)32位字的散列值。

消息列表每32位分為一個(gè)子分組，被標(biāo)記為W0、W1、…、W63。8個(gè)工作變量分別為a、b、c、d、e、f、g和h，8個(gè)散列值被標(biāo)記為h(i)0、h(i)1、…、H(i)7，并保留初始散列值H(0)，替換為每一個(gè)連續(xù)的中間散列值(在處理完每個(gè)消息分組后) H(i)，并以最終的散列值H(N)結(jié)束，在處理完所有N塊后。它們還使用兩個(gè)臨時(shí)變量T1和T2。

從前面我們知道，填充完了之后消息被分為了512位的消息分組。每個(gè)分組被分為16個(gè)32位的子分組，記為：M(i)0、M(i)1、...、M(i)15。將對(duì)N個(gè)消息分組進(jìn)行如下操作。

a、64個(gè)消息列表的生成

????????從?t = 0 到 15 —— Wt = M(i)t

????????從t = 16 t到 63 ——?Wt =SSIG1(W(t-2)) + W(t-7) + SSIG0(w(t-15)) + W(t-16)

b、初始化工作變量

????????a = H(i-1)0

????????b = H(i-1)1

????????c = H(i-1)2

????????d = H(i-1)3

????????e = H(i-1)4

????????f = H(i-1)5

????????g = H(i-1)6

????????h = H(i-1)7

c、執(zhí)行散列計(jì)算

????????從 t = 0 到 63 ：

????????????????T1 = h +BSIG1(e) + CH(e,f,g) + Kt + Wt

? ??????????? ??T2 = BSIG0(a)+ MAJ(a,b,c)

? ??????????? ??h = g

? ??????????? ??g = f

? ??????????? ??f = e

? ??????????? ??e = d + T1

? ??????????? ??d = c

? ??????????? ??c = b

? ??????????? ??b = a

? ??????????? ??a = T1 + T2

d、計(jì)算中間散列值

????????H(i)0 = a + H(i-1)0

????????H(i)1 = b + H(i-1)1

????????H(i)2 = c + H(i-1)2

????????H(i)3 = d + H(i-1)3

????????H(i)4 = e + H(i-1)4

????????H(i)5 = f + H(i-1)5

????????H(i)6 = g + H(i-1)6

????????H(i)7 = h + H(i-1)7

在對(duì)所有消息分組完成上述計(jì)算之后，計(jì)算最終輸出。對(duì)于SHA-256，是所有H(N)0、H(N)1到H(N)7的串聯(lián)。對(duì)于SHA-224，則是H(N)0、H(N)1直到H(N)6的串聯(lián)。

5、代碼實(shí)現(xiàn)

前面我們已經(jīng)說(shuō)明了SHA-256（SHA-224）的計(jì)算過(guò)程，接下來(lái)我們將這一過(guò)程代碼化。同樣的首先定義一個(gè)上下文的結(jié)構(gòu)。

/** 定義SHA-256哈希操作的內(nèi)容信息結(jié)構(gòu)體 */ typedef struct SHA256Context {uint32_tIntermediate_Hash[SHA256HashSize/4]; /* 信息摘要 */uint32_t Length_High;??????????? ?????????????/* 按位計(jì)算的信息長(zhǎng)度高字 */uint32_t Length_Low;????????????????????????? /* 按位計(jì)算的信息長(zhǎng)度低字 */int_least16_tMessage_Block_Index;??????????? /* 信息分組數(shù)組的索引 */uint8_tMessage_Block[SHA256_Message_Block_Size];/* 512位信息分組 */int Computed;????????????? ???????????????????/* 摘要計(jì)算標(biāo)識(shí) */int Corrupted;??????????????????????????????? /* 信息摘要損壞標(biāo)識(shí) */ } SHA256Context;

接下來(lái)實(shí)現(xiàn)SHA256Context結(jié)構(gòu)的初始化，為后續(xù)的計(jì)算過(guò)程做準(zhǔn)備。

static SHAStatusCode SHA224_256Reset(SHA256Context *context, uint32_t *H0) {if (!context) return shaNull;context->Length_High =context->Length_Low = 0;context->Message_Block_Index = 0;context->Intermediate_Hash[0] = H0[0];context->Intermediate_Hash[1] = H0[1];context->Intermediate_Hash[2] = H0[2];context->Intermediate_Hash[3] = H0[3];context->Intermediate_Hash[4] = H0[4];context->Intermediate_Hash[5] = H0[5];context->Intermediate_Hash[6] = H0[6];context->Intermediate_Hash[7] = H0[7];context->Computed = 0;context->Corrupted = shaSuccess;return shaSuccess; }

接下來(lái)實(shí)現(xiàn)信息分組的輸入，這個(gè)函數(shù)接受一個(gè)字節(jié)數(shù)組作為下一個(gè)消息分組以便進(jìn)行處理。

SHAStatusCode SHA256Input(SHA256Context *context, const uint8_t *message_array,unsigned intlength) {if (!context) return shaNull;if (!length) return shaSuccess;if (!message_array) return shaNull;if (context->Computed) returncontext->Corrupted = shaStateError;if (context->Corrupted) returncontext->Corrupted;while (length--){context->Message_Block[context->Message_Block_Index++]=*message_array;if ((SHA224_256AddLength(context, 8) ==shaSuccess) &&(context->Message_Block_Index ==SHA256_Message_Block_Size))SHA224_256ProcessMessageBlock(context);message_array++;}return context->Corrupted; }

當(dāng)然還需要一個(gè)消息處理及最終摘要輸出的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將返回一個(gè)224位或者256位的信息摘要到調(diào)用者給定的Message_Digest數(shù)組。返回的信息摘要，第一個(gè)元素索引為0，最后一個(gè)元素索引為27（SHA-2244）或者31（SHA-256）。

static SHAStatusCode SHA224_256ResultN(SHA256Context *context,uint8_t Message_Digest[], int HashSize) {int i;if (!context) return shaNull;if (!Message_Digest) return shaNull;if (context->Corrupted) returncontext->Corrupted;if (!context->Computed)SHA224_256Finalize(context, 0x80);for (i = 0; i < HashSize; ++i)Message_Digest[i] =(uint8_t)(context->Intermediate_Hash[i>>2] >> 8 * ( 3 - ( i& 0x03 ) ));return shaSuccess; }

至此我們就完成了SHA-256（SHA-224）的編碼，在后續(xù)我們將對(duì)這一編碼進(jìn)行驗(yàn)證。

6、結(jié)論

上一節(jié)我們實(shí)現(xiàn)了SHA-256(SHA-224)的編碼，接下來(lái)我們來(lái)對(duì)這一實(shí)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證。我們輸入明文“abcd”并輸出結(jié)果：

同時(shí)我們對(duì)比一下其他工具生成的“abcd”的SHA-256的信息摘要結(jié)果如下：

對(duì)比上述兩個(gè)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)是完全一致的，說(shuō)明我們的編碼是沒(méi)有問(wèn)題的。

歡迎關(guān)注：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的信息摘要算法之三：SHA256算法分析与实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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