SHA256实现解析（不涉及数学原理）
李悔之2015
发表于 2023-1-11 11:31:21
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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。 I9 A9 U8 a% E0 r6 G4 c9 ~, y
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。3 ^# {0 G+ h( P
2.1常量初始化. E. ]5 h3 Y# G4 ?1 r" k
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。" m: {, s: V# T9 x. Y
Initialize variables
(first 32 bits of the fractional parts of the square roots of the first 8 primes 2..19):
h0 := 0x6a09e6679 \( n. i# [5 j2 j
h1 := 0xbb67ae85( l" [# ]: `, N5 p8 u
h2 := 0x3c6ef372! j( M0 T0 \8 b1 _3 V+ N2 e
h3 := 0xa54ff53a8 H9 }4 c+ k: D
h4 := 0x510e527f
h5 := 0x9b05688c# `) ?; G9 R/ I. p1 g
h6 := 0x1f83d9ab4 k( Z) \* V! g% X: K* a7 \
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 constants0 Y# V& ^. W h3 k: \: Z
(first 32 bits of the fractional parts of the cube roots of the first 64 primes 2..311):
k[0..63] :=/ t8 p5 m8 f; y& f4 D3 }+ ?) V
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' e% O `! e" V) T& T" q, X$ [
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. z ]* e8 G6 K! D$ ?' y: o; I$ r
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). c( z+ ~. D7 l j
append length of message (before pre-processing), in bits, as 64-bit big-endian integer
2.3生成摘要# `% D' l! y9 T6 s- } |' D
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。1 \. ~, q" S- n1 Y
所以，关键就是每一步迭代过程中发生了什么。. t( m7 Y8 p B+ R' q! o
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：' r& L$ K% L, _
每次迭代摘要的更新流程$ V& j$ X! w. t& `3 p
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：6 }5 I( k2 P/ r6 b) x. J
Process the message in successive 512-bit chunks:& _/ g/ f; m3 i! v, Z% b2 J$ r2 }
break message into 512-bit chunks, b K( ]! Q7 b9 n
for each chunk/ C& @5 [' A3 v
break chunk into sixteen 32-bit big-endian words w[0..15]+ J" N a, f) i
Extend the sixteen 32-bit words into sixty-four 32-bit words:, P& |5 o6 W4 x4 I+ b7 Z
for i from 16 to 639 N, g% N1 j! }/ v9 o
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)+ \5 _" c3 |* S, d7 S3 n
w := w[i-16] + s0 + w[i-7] + s1
Initialize hash value for this chunk:
a := h0& n+ o/ V/ C8 p6 n
b := h1
c := h2$ c+ m3 ]0 ~. Q* Q: v- h
d := h3+ N& s2 n% ~9 b2 S t. R' @5 D( H
e := h4" |: b* e4 }6 T( I% y
f := h52 l' a$ \2 H2 l9 j0 ^
g := h6/ G' X {7 ~5 x+ z" a
h := h79 H2 H9 u: m+ @& V K
Main loop:
for i from 0 to 634 {+ F+ c) t. T; S% \% _" z# o T
s0 := (a rightrotate 2) xor (a rightrotate 13) xor(a rightrotate 22)
maj := (a and b) xor (a and c) xor(b and c)& o0 c2 M: d4 `- z5 P+ O
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 + w
h := g
g := f+ j h% ]* g3 ?3 o+ u0 Q L
f := e; {8 I* C# ~% ?' c) Y* O
e := d + t1
d := c7 K" j8 f c# M/ j9 v3 M
c := b
b := a& }% {) H' m4 k) J0 l% A
a := t1 + t2+ h8 t* r6 L& `
Add this chunk's hash to result so far:
h0 := h0 + a1 a& I5 W6 X6 L) t2 O! G
h1 := h1 + b
h2 := h2 + c/ F' X, j+ n6 s: f9 V
h3 := h3 + d
h4 := h4 + e
h5 := h5 + f
h6 := h6 + g6 @( a! f( f$ K9 [( 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: L( Z- M! K# r4 t9 J- N! T- {' y8 J
一目了然，对吧。
成为第一个吐槽的人
