安全體系（三） SHA1演算法詳解

正文本文主要講述使用sha1演算法計算資訊摘要的過程。

安全體系（零）—— 加解密演算法、訊息摘要、訊息認證技術、數字簽名與公鑰證書

安全體系（一）—— des演算法詳解

安全體系（二）——rsa演算法詳解

為保證傳輸資訊的安全，除了對資訊加密外，還需要對資訊進行認證。認證的目的有兩：一是驗證資訊的傳送者是合法的，二是驗證資訊的完整性。hash函式就是進行資訊認證的一種有效手段。

回到頂部

hash函式也稱為雜湊函式或雜湊函式，函式輸入為一可變長度x，輸出為一固定長度串，該串被稱為輸入x的hash值或數字指紋。

因為hash函式是多對一函式，不同的輸入對應著相同的輸出，求其逆是比較難，通過給定的輸入計算hash值必須是很容易，但從hash值逆推輸入則很難，因此也稱hash函式為單向hash函式。

hash函式一般滿足以下幾個基本需求：

1).輸入x可以任意長度

2).輸出資料長度固定

3).容易計算，給定任何x，容易計算出x的hash值

4).單向函式，即給出乙個hash值，很難反向計算出原始輸入的x

5).唯一性，即難以找出兩個不同的輸入會得到相同的hash輸出值

hash值得長度由演算法的型別決定，與輸入的訊息大小無關，一般為128bit或者160bit，即使兩個訊息的差別很小，如僅差別一兩位，其hash函式的運算結果也會截然不同，用同乙個演算法對某一訊息進行hash運算只能獲得唯一確定的hash值。

乙個安全的單向迭代函式是構造安全訊息hash值得核心和基礎，有了好的單向迭代函式，就可以用合適的迭代方法來構造迭代hash函式，hash函式的安全設計的理論主要有以下兩點：一是函式的單向性，二是函式影射的隨機性。常見的hash演算法有md-5、sha等。

回到頂部

sha(security hash algorithm)是美國的nist和nsa設計的一種標準的hash演算法，最初的版本於93年發表，稱為sha-0，因為很快就被發現存在安全隱患，於是在95年就發布第二個版本sha-1。02年，nist分別發布了sha-256、sha-384、sha-512，這些演算法統稱sha-2。08年又新增了sha-224。目前sha-2各版本已成為主流。

這裡以sha1為例來進行sha演算法的講解，其他系列原理類似。sha1的特性有：

1).不能使用訊息摘要復原資訊；

2).不同的訊息產生不同的訊息摘要。

回到頂部

sha1把訊息當做位（bit）字串進行處理。最小單位稱為位，8位組成乙個位元組，兩個位元組組成乙個字。

例如，字串「abc」轉換成位字串是01100001 01100010 01100011，轉換成16進製制字串是 0x616263。

下面的邏輯運算子作用於「字」

x^y = x， y邏輯與

x \/ y = x， y邏輯或

x xor y= x， y邏輯異或

~x = x邏輯取反

x+y的定義：字 x 和 y 代表兩個整數 x 和y, 其中 0 <= x < 2^32 且 0 <= y < 2^32. 令整數z = (x + y) mod 2^32. 這時候 0 <= z < 2^32. 將z轉換成字z, 那麼就是 z = x + y.

迴圈左移位操作符sn(x)：x是乙個字，n是乙個整數，0<=n<=32。sn(x) = (x<>32-n)。這個很容易理解了，比如x=11111111 00000001 00000001 00000000，n=5，則sn(x)=11100000001 00000001 00000000 11111。

x>n定義：拋棄右邊的n位，將各個位依次向右移動n位，然後在左邊的n位填0。

回到頂部

因為sha1演算法只接受位作為輸入，所以進行計算前必須把原始訊息（比如字串、檔案等）轉換成位字串。

比如，對字串「abc」產生訊息摘要，『a』=97 『b』=98 『c』=99，先轉換成24位的字串：01100001 01100010 01100011

訊息必須進行補位，使其長度在對512取模以後的餘數是448，即（補位後的訊息長度）%512 = 448。

對訊息進行補位時，先在後面補乙個1，如果不滿足要求，再補0直到滿足對512取模餘數為448。這就意味著，補位至少補一位（原訊息位數為512n+447），最多補512位（原訊息位數為512n+448）。

還是以前面的「abc」為例顯示補位的過程：

原始資訊： 01100001 01100010 01100011

補位第一步，首先補乙個1：01100001 01100010 011000111

可以確定的是，如果用乙個位元組來表示乙個字元，補1之後肯定不滿足條件，仍需繼續補位。

補位第二步，後面補0直到總長度對512取模餘數為448，這裡補423個0，使總長度達到為448：

01100001 01100010 01100011

1000…..00

補位完成後的資料轉換為16進製制：

616263

80 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000

從16進製制資料裡可以看到，我們也可以直接採用16進製制的方式進行補位，我們先補80，看是否滿足長度對64取餘的結果為56，不滿足則繼續補0。

大家可以自己考慮一下為什麼可以補80。

4.3 附加長度資訊

這一步中，要將原始訊息（沒有進行補位操作之前）的長度（二進位制位數）附加到已經補位的訊息之後。

通常用乙個64位的資料來表示原始訊息的長度。如果訊息長度不大於2^64，那麼第乙個字就是0。

補長度的操作以後，整個訊息（16進製制）如下：

616263

80 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000

00000000 00000018

然後，將整個訊息拆分為乙個乙個的512位的資料塊m1，m2，…,mn，然後分別對每乙個資料塊mi (1≤i≤n)做處理，得到訊息摘要。

注意，這裡是64位，上一步補位後的長度是512k+448,k≥0，這樣，512k+448+64=512(k+1)，恰好可以被512整除。

在我們舉得例子裡，一共只有512位，因此做為乙個資料塊進行處理。

一系列的常量字k(0), k(1), ... , k(79)，如果以16進製制給出，它們如下：

kt = 0x5a827999 (0 <= t <= 19)

kt = 0x6ed9eba1 (20 <= t <= 39)

kt = 0x8f1bbcdc (40 <= t <= 59)

kt = 0xca62c1d6 (60 <= t <= 79)

在sha1中我們需要一系列的函式。每個函式ft (0 <= t <= 79)都操作32位字b，c，d並且產生32位字作為輸出。ft(b,c,d)可以如下定義

ft(b,c,d) = (b and c) or ((not b) and d) ( 0 <= t <= 19)

ft(b,c,d) = b xor c xor d (20 <= t <= 39)

ft(b,c,d) = (b and c) or (b and d) or (c and d) (40 <= t <= 59)

ft(b,c,d) = b xor c xor d (60 <= t <= 79)

使用進行了補位和補長度後的訊息來計算訊息摘要。

計算需要的緩衝區：

1).兩個都由5個32位的字組成緩衝區buf1和buf2， buf1的5個32位緩衝區被標識為a,b,c,d,e，buf2的5個32位緩衝區被標識為h0,h1,h2,h3,h4。

2).乙個80個32位字的緩衝區buf3，按照32位劃分，依次被標識為w0, w1,..., w79。

3).乙個1個字的temp緩衝區。

計算訊息摘要：

在3.2中，我們把補位之後的資料附加了長度資訊，然後劃分為乙個乙個的512位（16個字）的資料塊m1,m2,…,mn，這裡會依次對每個資料塊mi (1≤i≤n)做處理。

在處理每個資料塊mi (1≤i≤n)之前，先將緩衝區h0,h1,h2,h3,h4 初始化為下面的值（16進製制）：

h0 = 0x67452301

h1 = 0xefcdab89

h2 = 0x98badcfe

h3 = 0x10325476

h4 = 0xc3d2e1f0.

接下來處理 mi(1≤i≤n)，步驟如下：

1). 將每個mi 分成 16 個字（每個字32位） w0, w1, ... , w15, w0 是最左邊的字；

n個mi就劃分之後，就變成w0,w1,…,w15,w16,…,w31,w32,…w79；

2). 對於 t = 16 到 79 令 wt = s1(wt-3 xor wt-8 xor wt- 14 xor wt-16)；

3). 令 a = h0, b = h1, c = h2, d = h3, e = h4；

4) 對於 t = 0 到 79，執行下面的迴圈

temp = s5(a) + ft(b,c,d) + e + wt + kt;

e = d;

d = c;

c = s30(b);

b = a;

a = temp;

5). 令 h0 = h0 + a, h1 = h1 + b, h2 = h2 + c, h3 = h3 + d, h4 = h4 + e.

在處理完所有的 mi(1≤i≤n) 後，會得到乙個160位（5個32位字）的字串訊息摘要h0 h1 h2 h3 h4

。

安全體系（三） SHA1演算法詳解

Sha 1演算法詳解

SHA1演算法實現及詳解

安全體系（二） RSA演算法詳解

安全體系（三） SHA1演算法詳解

Sha 1演算法詳解

SHA1演算法實現及詳解

安全體系（二） RSA演算法詳解

相關推薦