SHA256实现解析(不涉及数学原理)


(btcholder) #1

1.SHA简介

关于SHA的定义直接参考wiki介绍:

安全散列算法(英语:Secure Hash Algorithm,缩写为SHA)是一个密码散列函数家族,是FIPS所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的,长度固定的字符串(又称消息摘要)的算法。且若输入的消息不同,它们对应到不同字符串的机率很高。

SHA可看作是是一种单向函数,几乎不可逆,给一段信息,它会给你生成固定长度的摘要,当然,不同的信息是的确有可能生成相同的摘要的,这被称作碰撞,简单来说,摘要的长度越长,碰撞几率越低。

既然有碰撞这种可能性,那碰撞肯定会被拿来用作攻击手段的,SHA-1已经在17年被Google和荷兰的小组攻破了,目前使用的标准是SHA-2,其实在算法上SHA-2和SHA-1区别不大,但是至今SHA-2还没被攻破,所以暂且当它没什么弱点。

从SHA的特点来看,用来作文件验证和数字签名是非常合适的。比特币使用的就是SHA-2中的SHA256算法。

2.SHA256的算法实现

首先,SHA算法在数学原理上是相当复杂的(那些移位与或非对于算法的作用看着就头大),对于不以密码学研究为目的,同时也是初学者的我来说,去分析它的数学细节对我没有什么意义,因此我暂且忽略那一部分直接看它的算法实现。

实现可以分为三个部分:常量初始化,信息预处理,生成摘要。

2.1常量初始化

首先是初始化8个值,分别是最开始的连续8个素数(从2到19)的平方根的二进制表示的小数部分的前32位,有点绕,不过就是这样啦,这些后面会作为迭代的初值使用。

Initialize variables
(first 32 bits of the fractional parts of the square roots of the first 8 primes 2..19):
h0 := 0x6a09e667
h1 := 0xbb67ae85
h2 := 0x3c6ef372
h3 := 0xa54ff53a
h4 := 0x510e527f
h5 := 0x9b05688c
h6 := 0x1f83d9ab
h7 := 0x5be0cd19

然后还要初始化64个值,分别是最开始的连续64个素数(从2到311)的立方根的二进制表示的小数部分的前32位,可以看到这64个数也成了数组的形式,因为是要在后面每次迭代中拿来进行循环运算的。

Initialize table of round constants
(first 32 bits of the fractional parts of the cube roots of the first 64 primes 2..311):
k[0..63] :=
   0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5, 0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5,
   0xd807aa98, 0x12835b01, 0x243185be, 0x550c7dc3, 0x72be5d74, 0x80deb1fe, 0x9bdc06a7, 0xc19bf174,
   0xe49b69c1, 0xefbe4786, 0x0fc19dc6, 0x240ca1cc, 0x2de92c6f, 0x4a7484aa, 0x5cb0a9dc, 0x76f988da,
   0x983e5152, 0xa831c66d, 0xb00327c8, 0xbf597fc7, 0xc6e00bf3, 0xd5a79147, 0x06ca6351, 0x14292967,
   0x27b70a85, 0x2e1b2138, 0x4d2c6dfc, 0x53380d13, 0x650a7354, 0x766a0abb, 0x81c2c92e, 0x92722c85,
   0xa2bfe8a1, 0xa81a664b, 0xc24b8b70, 0xc76c51a3, 0xd192e819, 0xd6990624, 0xf40e3585, 0x106aa070,
   0x19a4c116, 0x1e376c08, 0x2748774c, 0x34b0bcb5, 0x391c0cb3, 0x4ed8aa4a, 0x5b9cca4f, 0x682e6ff3,
   0x748f82ee, 0x78a5636f, 0x84c87814, 0x8cc70208, 0x90befffa, 0xa4506ceb, 0xbef9a3f7, 0xc67178f2

2.2信息预处理

预处理分为三步,首先是在原信息后加一个‘1’;然后再添加k个0,直到信息长度 mod 512 = 448,如果原信息是447这种长度,那其实就不用加0了;最后就是再添加原信息的长度到末尾,是64位的大端模式的格式。

Pre-processing:
append the bit '1' to the message
append k bits '0', where k is the minimum number >= 0 such that the resulting message
    length (in bits) is congruent to 448(mod 512)
append length of message (before pre-processing), in bits, as 64-bit big-endian integer

2.3生成摘要

到了最麻烦的一步了,生成摘要。

首先,经过第二步,现在信息已经是512bit的倍数这种格式了,所以这里首先是把信息分成块,每一块是512bit,然后每一块都是一次迭代,每一次迭代都会更新摘要,最后一次迭代结果就是最终生成的摘要。

所以,关键就是每一步迭代过程中发生了什么。

对于SHA256算法,最终的摘要是256bit的,结合前面的8个32bit的初值,这里就不难理解了,总的摘要是分成8个值进行更新的。块大小是512bit的,将其也以32bit为单位分成16个,然后通过对16个数进行运算,生成另外48个数,总之,得到了64个值,这和前面的64个常量相对应,剩下的就直接看下图吧:


每次迭代摘要的更新流程

中间各种运算符什么的,就是一些运算而已,没什么好说的, W是从块中得到的64个数的集合,K是之前初始化的64个数的集合,可以看到一次迭代内部有64次循环,每次循环都会更新一次摘要。

最后,来看看伪代码把:

Process the message in successive 512-bit chunks:
break message into 512-bit chunks
for each chunk
    break chunk into sixteen 32-bit big-endian words w[0..15]
    Extend the sixteen 32-bit words into sixty-four 32-bit words:
    for i from 16 to 63
        s0 := (w[i-15] rightrotate 7) xor (w[i-15] rightrotate 18) xor(w[i-15] rightshift 3)
        s1 := (w[i-2] rightrotate 17) xor (w[i-2] rightrotate 19) xor(w[i-2] rightshift 10)
        w<i> := w[i-16] + s0 + w[i-7] + s1
    Initialize hash value for this chunk:
    a := h0
    b := h1
    c := h2
    d := h3
    e := h4
    f := h5
    g := h6
    h := h7
    Main loop:
    for i from 0 to 63
        s0 := (a rightrotate 2) xor (a rightrotate 13) xor(a rightrotate 22)
        maj := (a and b) xor (a and c) xor(b and c)
        t2 := s0 + maj
        s1 := (e rightrotate 6) xor (e rightrotate 11) xor(e rightrotate 25)
        ch := (e and f) xor ((not e) and g)
        t1 := h + s1 + ch + k<i> + w<i>
        h := g
        g := f
        f := e
        e := d + t1
        d := c
        c := b
        b := a
        a := t1 + t2
    Add this chunk's hash to result so far:
    h0 := h0 + a
    h1 := h1 + b
    h2 := h2 + c
    h3 := h3 + d
    h4 := h4 + e
    h5 := h5 + f
    h6 := h6 + g
    h7 := h7 + h
Produce the final hash value (big-endian):
digest = hash = h0 append h1 append h2 append h3 append h4 append h5 append h6 append h7

一目了然,对吧。

3参考文献

本文主要参考了SHA256的中文WIKI

原文https://blog.csdn.net/qq_27447001/article/details/86303986