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。7 G/ l5 g, L" ^& E+ L! k2 t
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。& y D* K8 o, G
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 r W0 d2 v+ f& w: K% M: C8 m9 s
2.SHA256的算法实现* b2 s9 C9 t3 Z L0 O& E( J
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。" H6 G4 C% Y- e! M
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。$ Y6 S" G' p* N/ R& h) r& e
Initialize variables7 Z6 B% e" U) `- n, f7 I
(first 32 bits of the fractional parts of the square roots of the first 8 primes 2..19):
h0 := 0x6a09e6679 d- m) y! Z& y
h1 := 0xbb67ae85" D; v% k7 w6 j& c* F
h2 := 0x3c6ef372( e7 g$ ]6 S& X. D: h' j+ G
h3 := 0xa54ff53a
h4 := 0x510e527f
h5 := 0x9b05688c
h6 := 0x1f83d9ab
h7 := 0x5be0cd19/ i" [# e' X8 }/ d6 q5 `$ b6 S0 P
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。1 v5 a' _, @3 {
Initialize table of round constants3 W8 W3 m2 J2 C1 z$ k
(first 32 bits of the fractional parts of the cube roots of the first 64 primes 2..311):( Q6 u c% e5 X& W( ^
k[0..63] :=
0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5, 0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5,8 m# R A) S5 Y3 M& i
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,# T0 L. m5 t9 ]' \( ^) c
0x19a4c116, 0x1e376c08, 0x2748774c, 0x34b0bcb5, 0x391c0cb3, 0x4ed8aa4a, 0x5b9cca4f, 0x682e6ff3,2 Y6 n4 ?. ^# Y, A9 e
0x748f82ee, 0x78a5636f, 0x84c87814, 0x8cc70208, 0x90befffa, 0xa4506ceb, 0xbef9a3f7, 0xc67178f2; f) v. ?5 \' h3 j: C" `$ `
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。+ P8 i O" Q& @
Pre-processing:3 e) o, r A5 T6 Z. X8 d, l
append the bit '1' to the message
append k bits '0', where k is the minimum number >= 0 such that the resulting message" u u1 T& _0 D" a! K& G' [% J- Q! ]
length (in bits) is congruent to 448(mod 512)
append length of message (before pre-processing), in bits, as 64-bit big-endian integer! l8 H; k3 f5 l& B8 P2 Y- l6 O! I
2.3生成摘要- w7 c7 B8 ^ p
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。) X. Z! @" g9 [5 M4 {( K8 _$ z+ W
所以，关键就是每一步迭代过程中发生了什么。. m9 m( o4 ?2 @, t* w4 m
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：# r7 `) e* S3 P
, z1 p! O& [+ A- h# q
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：: C" g" Q* ^* S% t$ B) M! n: q
Process the message in successive 512-bit chunks:
break message into 512-bit chunks( \9 v: _2 C: L
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)! q& I3 U- y+ k+ u" b
s1 := (w[i-2] rightrotate 17) xor (w[i-2] rightrotate 19) xor(w[i-2] rightshift 10)- R# E- l5 V3 }5 `
w := w[i-16] + s0 + w[i-7] + s1; W9 j+ X& F9 y, u0 C- f
Initialize hash value for this chunk:/ u' b+ g! t0 f+ V; p% E& g
a := h0
b := h18 g! {6 k( u9 ?5 p( H! E9 m) X
c := h2
d := h3
e := h4
f := h5
g := h6" S( x0 f& m1 i( }; c
h := h7
Main loop:
for i from 0 to 631 j* r$ i6 q/ ]% L$ ~
s0 := (a rightrotate 2) xor (a rightrotate 13) xor(a rightrotate 22)% f% u; E" j& }
maj := (a and b) xor (a and c) xor(b and c)
t2 := s0 + maj" h1 ]& c) R( h9 q
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 + w2 D1 J( C9 A% N# d
h := g
g := f
f := e
e := d + t1
d := c
c := b. D! i3 X4 L1 ]2 h
b := a
a := t1 + t2
Add this chunk's hash to result so far:* P" n9 c8 o/ l& m( A V
h0 := h0 + a
h1 := h1 + b
h2 := h2 + c
h3 := h3 + d
h4 := h4 + e! c) _. z1 K4 A" w1 O6 A9 E4 }
h5 := h5 + f5 p+ ?* |, N1 q% L' [: O
h6 := h6 + g1 {3 }6 z- ]" K& H& M3 n* k0 K) ^
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/ J! J) M+ ^' }' W4 g
一目了然，对吧。; l8 w6 _2 @# K3 Q
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