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SHA-2

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安全散列算法
Sha-family.svg
概念
散列函数 · SHA · DSA
主流标准
SHA-0 · SHA-1 · SHA-2 · SHA-3
SHA-2
概述
设计者美国国家安全局
首次发布2001年
系列(SHA-0), SHA-1, SHA-2, SHA-3
认证FIPS PUB 180-4, CRYPTREC英语CRYPTREC, NESSIE英语NESSIE
细节
摘要长度224, 256, 384, or 512 bits
结构配合Davies–Meyer压缩函数的默克尔-达姆加德结构英语Merkle–Damgård construction
重复回数64 or 80
最佳公开破解
A 2011 attack breaks preimage resistance for 57 out of 80 rounds of SHA-512, and 52 out of 64 rounds for SHA-256.[1] Pseudo-collision attack against up to 46 rounds of SHA-256.[2]

SHA-2,名称来自于安全散列算法2(英语:Secure Hash Algorithm 2)的缩写,一种密码散列函数算法标准,由美国国家安全局研发[3],由美国国家标准与技术研究院(NIST)在2001年发布。属于SHA算法之一,是SHA-1的后继者。其下又可再分为六个不同的算法标准,包括了:SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

开发

SHA-2的第t个加密循环。图中的深蓝色方块是事先定义好的非线性函数。ABCDEFGH一开始分别是八个初始值,Kt是第t个密钥,Wt是本区块产生第t个word。原消息被切成固定长度的区块,对每一个区块,产生n个word(n视算法而定),透过重复运作循环n次对ABCDEFGH这八个工作区段循环加密。最后一次循环所产生的八段字符串合起来即是此区块对应到的散列字符串。若原消息包含数个区块,则最后还要将这些区块产生的散列字符串加以混合才能产生最后的散列字符串。

NIST发布了三个额外的SHA变体,这三个函数都将消息对应到更长的消息摘要。以它们的摘要长度(以比特计算)加在原名后面来命名:SHA-256,SHA-384和SHA-512。它们发布于2001年的FIPS PUB 180-2草稿中,随即通过审查和评论。包含SHA-1的FIPS PUB 180-2,于2002年以官方标准发布。2004年2月,发布了一次FIPS PUB 180-2的变更通知,加入了一个额外的变种SHA-224,这是为了符合双密钥3DES所需的密钥长度而定义[4]

SHA-256和SHA-512是很新的散列函数,前者以定义一个word为32位,后者则定义一个word为64位。它们分别使用了不同的偏移量,或用不同的常量,然而,实际上二者结构是相同的,只在循环执行的次数上有所差异。SHA-224以及SHA-384则是前述二种散列函数的截短版,利用不同的初始值做计算。

这些新的散列函数并没有接受像SHA-1一样的公众密码社群做详细的检验,所以它们的密码安全性还不被大家广泛的信任。[来源请求]Gilbert和Handschuh在2003年曾对这些新变种作过一些研究,声称他们没有找到弱点。[来源请求]

算法

以下是SHA-256算法的伪代码。注意,64个word w[16..63]中的比特比起SHA-1算法,混合的程度大幅提升。

注意:全部變量皆是32位元非帶號整數,且溢位時當成232處理
初始化
(以下是前8個質數2..19平方根小數部分的前32位元):
h0 := 0x6a09e667
h1 := 0xbb67ae85
h2 := 0x3c6ef372
h3 := 0xa54ff53a
h4 := 0x510e527f
h5 := 0x9b05688c
h6 := 0x1f83d9ab
h7 := 0x5be0cd19
初始化每輪用的常數
(前64個質數2..311的立方根小數部分的前32位元):
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
預處理:
訊息後接上一個位元'1'
再接上k個'0',其中k為最小的非負整數,使所得的訊息長度(位元數)同余於448(mod 512)
將預處理前訊息的長度(位元數)寫成64位元大端序整數,接在最尾
將訊息分成若干連續段處理,每段512位元:
將訊息分成512位元的分段
for 每段
    將該段再分成十六個32位元的字組,看成大端序的整數w[0..15]
    從該十六個字組,計算多四十八個同樣長度的字組,得到總共六十四個32位元字組:
    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
    初始化此段的雜湊值:
    a := h0
    b := h1
    c := h2
    d := h3
    e := h4
    f := h5
    g := h6
    h := h7
    主迴圈:
    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
    將此段的雜湊值加進總和:
    h0 := h0 + a
    h1 := h1 + b
    h2 := h2 + c
    h3 := h3 + d
    h4 := h4 + e
    h5 := h5 + f
    h6 := h6 + g
    h7 := h7 + h
輸出最總的雜湊值(大端序):
digest = hash = h0 append h1 append h2 append h3 append h4 append h5 append h6 append h7

其中ch函数及maj函数可利用前述SHA-1的优化方式改写。

SHA-224和SHA-256基本上是相同的,除了:

  • h0h7的初始值不同,以及
  • SHA-224输出时截掉h7的函数值。

SHA-512和SHA-256的结构相同,但:

  • SHA-512所有的数字都是64位,
  • SHA-512执行80次加密循环而非64次,
  • SHA-512初始值和常量拉长成64位,以及
  • 二者比特的偏移量和循环位移量不同。

SHA-384和SHA-512基本上是相同的,除了:

  • h0h7的初始值不同,以及
  • SHA-384输出时截掉h6h7的函数值。

实现

Windows操作系统的System32目录下有certutil.exe,可以直接调用,例如:

certutil -hashfile yourfilename.ext SHA256

参考文献

  1. ^ Dmitry Khovratovich, Christian Rechberger & Alexandra Savelieva. Bicliques for Preimages: Attacks on Skein-512 and the SHA-2 family (PDF). IACR Cryptology ePrint Archive. 2011,. 2011:286 [2016-12-15]. (原始内容存档 (PDF)于2016-07-22). 
  2. ^ Mario Lamberger & Florian Mendel. Higher-Order Differential Attack on Reduced SHA-256 (PDF). IACR Cryptology ePrint Archive. 2011,. 2011:37 [2016-12-15]. (原始内容存档 (PDF)于2017-03-29). 
  3. ^ On the Secure Hash Algorithm family (PDF). [2016-12-15]. (原始内容 (PDF)存档于2014-10-14). 
  4. ^ FIPS 180-2 with Change Notice 1 (PDF). csrc.nist.gov. [2017-01-13]. (原始内容存档 (PDF)于2012-03-18).