信息摘要演算法之二：SHA1演算法分析及實現
SHA演算法，即安全散列演算法（Secure HashAlgorithm）是一種與MD5同源的數據加密演算法，該演算法經過加密專家多年來的發展和改進已日益完善，現在已成為公認的最安全的散列演算法之一，並被廣泛使用。
1、概述
SHA演算法能計算出一個數位信息所對應到的，長度固定的字串，又稱信息摘要。而且如果輸入信息有任何的不同，輸出的對應摘要不同的機率非常高。因此SHA演算法也是FIPS所認證的五種安全雜湊演算法之一。原因有兩點：一是由信息摘要反推原輸入信息，從計算理論上來說是極為困難的；二是，想要找到兩組不同的輸入信息發生信息摘要碰撞的幾率，從計算理論上來說是非常小的。任何對輸入信息的變動，都有很高的幾率導致的信息摘要大相徑庭。
SHA實際上是一系列演算法的統稱，分別包括：SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384以及SHA-512。後面4中統稱為SHA-2，事實上SHA-224是SHA-256的縮減版，SHA-384是SHA-512的縮減版。各中SHA演算法的數據比較如下表，其中的長度單位均為位：
SHA-1在許多安全協定中廣為使用，包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec，曾被視為是MD5的後繼者。SHA1主要適用於數字簽名標準（DigitalSignature Standard DSS）裡面定義的數字簽名演算法（DigitalSignature Algorithm DSA）。對於長度小於264位的消息，SHA1會產生一個160位的消息摘要。
2、基本原理
前面我們簡單的介紹了SHA演算法族，接下來我們以SHA-1為例來分析其基本原理。SHA-1是一種數據加密演算法，該演算法的思想是接收一段明文，然後以一種不可逆的方式將它轉換成一段密文，也可以簡單的理解為輸入一串二進位碼，並把它們轉化為長度較短、位數固定的輸出序列即散列值，也稱為信息摘要或信息認證代碼的過程。
SHA-1演算法輸入報文的最大長度不超過264位，產生的輸出是一個160位的報文摘要。輸入是按512位的分組進行處理的。SHA-1是不可逆的、防衝突，並具有良好的雪崩效應。
一般來說SHA-1演算法包括有如下的處理過程：
（1）、對輸入信息進行處理
既然SHA-1演算法是對給定的信息進行處理得到相應的摘要，那麼首先需要按演算法的要求對信息進行處理。那麼如何處理呢？對輸入的信息按512位進行分組並進行填充。如何填充信息報文呢？其實即使填充報文後使其按512進行分組後，最後正好餘448位。那填充什麼內容呢？就是先在報文後面加一個1，再加很多個，直到長度滿足對512取模結果為448。到這裡可能有人會奇怪，為什麼非得是448呢？這是因為在最後會附加上一個64位的報文長度信息，而448+64正好是512。
（2）、填充長度信息
前面已經說過了，最後會補充信息報文使其按512位分組後餘448位，剩下的64位就是用來填寫報文的長度信息的。至次可能大家也明白了前面說過的報文長度不能超過264位了。填充長度值時要注意必須是低位位元組優先。
（3）信息分組處理
經過添加位數處理的明文，其長度正好為512位的整數倍，然後按512位的長度進行分組，可以得到一定數量的明文分組，我們用Y，Y1，……YN-1表示這些明文分組。對於每一個明文分組，都要重複反覆的處理，這些與MD5都是相同的。
而對於每個512位的明文分組，SHA1將其再分成16份更小的明文分組，稱為子明文分組，每個子明文分組為32位，我們且使用M[t]（t= 0, 1,……15）來表示這16個子明文分組。然後需要將這16個子明文分組擴充到80個子明文分組，我們將其記為W[t]（t= 0, 1,……79），擴充的具體方法是：當0≤t≤15時，Wt = Mt；當16≤t≤79時，Wt = ( Wt-3⊕Wt-8⊕Wt-14⊕Wt-16)
（4）初始化緩存
所謂初始化緩存就是為鏈接變數賦初值。前面我們實現MD5演算法時，說過由於摘要是128位，以32位為計算單位，所以需要4個鏈接變數。同樣SHA-1採用160位的信息摘要，也以32位為計算長度，就需要5個鏈接變數。我們記為A、B、C、D、E。其初始賦值分別為：A = 0x67452301、B = 0xEFCDAB89、Ｃ= 0x98BADCFE、Ｄ= 0x10325476、Ｅ= 0xC3D2E1F0。
如果我們對比前面說過的MD5演算法就會發現，前４個鏈接變數的初始值是一樣的，因為它們本來就是同源的。
（5）計算信息摘要
經過前面的準備，接下來就是計算信息摘要了。SHA1有4輪運算，每一輪包括20個步驟，一共80步，最終產生160位的信息摘要，這160位的摘要存放在5個32位的鏈接變數中。
在SHA1的4論運算中，雖然進行的就具體操作函數不同，但邏輯過程卻是一致的。首先，定義5個變數，假設為H0、H1、H2、H3、H4，對其分別進行如下操作：
（A）、將A左移5為與ft(B,C,D)函數的結果求和，再與對應的子明文分組、E以及計算常數求和後的結果賦予H0。
（B）、將A的值賦予H1。
（C）、將B左移30位，並賦予H2。
（D）、將C的值賦予H3。
（E）、將D的值賦予H4。
（F）、最後將H0、H1、H2、H3、H4的值分別賦予A、B、C、D
這一過程表示如下：
而在4輪80步的計算中使用到的函數和固定常熟如下表所示：
經過4論80步計算後得到的結果，再與各鏈接變數的初始值求和，就得到了我們最終的信息摘要。而對於有多個銘文分組的，則將前面所得到的結果作為初始值進行下一明文分組的計算，最終計算全部的明文分組就得到了最終的結果。3、軟體實現
經過前面的分析過程，接下來要具體實現SHA1演算法其實已經很簡單了！下面來一步步實現它，首先實現初始化函數：
/* SHA1Reset函數用於初始化SHA1的內容值*/
/*參數：context，SHA的內容值，存儲計算結果既初始值，輸入輸出*/
/*返回值：SHA錯誤代碼*/
ErrorCodeSHA1Reset(SHA1Context *context)
{
if (!context)
{
return shaNull;
}
context->Length_Low = 0;
context->Length_High = 0;
context->Message_Block_Index = 0;
context->Intermediate_Hash[0] = 0x67452301;
context->Intermediate_Hash[1] = 0xEFCDAB89;
context->Intermediate_Hash[2] = 0x98BADCFE;
context->Intermediate_Hash[3] = 0x10325476;
context->Intermediate_Hash[4] = 0xC3D2E1F0;
context->Computed = 0;
context->Corrupted = 0;
return shaSuccess;
}
接下來實現明文信息的讀取及處理函數，該函數讀取信息分組，並輸入前次計算的結果，對除最後一組信息外的全部分組進行信息摘要計算。
/* SHA1Input函數，將分組的信息讀入並進行摘要計算*/
/*參數：*/
/* context，SHA的內容值，存儲計算結果既初始值，輸入輸出*/
/* message_array，待處理的信息分組的位元組數組，輸入參數*/
/* length，message_array數組中信息的長度*/
/*返回值：SHA錯誤代碼*/
ErrorCodeSHA1Input(SHA1Context *context,const uint8_t *message_array,unsigned length)
{
if (!length)
{
return shaSuccess;
}
if (!context !message_array)
{
return shaNull;
}
if (context->Computed)
{
context->Corrupted = shaStateError;
return shaStateError;
}
if (context->Corrupted)
{
return (ErrorCode)context->Corrupted;
}
while(length-- &&!context->Corrupted)
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] =
(*message_array &0xFF);
context->Length_Low += 8;
if (context->Length_Low == 0)
{
context->Length_High++;
if (context->Length_High == 0)
{
/*消息長度超過限值*/
context->Corrupted = 1;
}
}
if (context->Message_Block_Index == 64)
{
SHA1ProcessMessageBlock(context);
}
message_array++;
}
return shaSuccess;
}
然後實現結果輸出函數，該函數對信息的最後部分進行處理並返回160位的信息摘要到Message_Digest數組，該數組作為參數有調用者輸入。第一個元素存第一個位元組，依次20個位元組。
/* SHA1Result函數，對信息的最後部分進行處理並輸出最終計算結果*/
/*參數：*/
/* context，SHA的內容值，存儲計算結果既初始值，輸入輸出*/
/* Message_Digest，信息摘要的返回值，輸出參數*/
/*返回值：SHA錯誤代碼*/
ErrorCode SHA1Result(SHA1Context *context,uint8_t Message_Digest[SHA1HashSize])
{
int i;
if (!context !Message_Digest)
{
return shaNull;
}
if (context->Corrupted)
{
return (ErrorCode)context->Corrupted;
}
if (!context->Computed)
{
SHA1PadMessage(context);
for(i=0; i
{
/*處理完畢，清除消息分組*/
context->Message_Block[i] = 0;
}
context->Length_Low = 0; /*清除長度數據*/
context->Length_High = 0;
context->Computed = 1;
}
for(i = 0; i < SHA1HashSize; ++i)
{
Message_Digest[i] =context->Intermediate_Hash[i>>2]>>8*(3-(i&0x03));
}
return shaSuccess;
}
還需要實現消息分組的處理函數。該函數處理存儲於Message_Block數組中的，待處理的512位的明文分組，將其處理為80個子明文分組，並進行4輪80步運算，返回相應的摘要值。
/* SHA1ProcessMessageBlock函數，處理消息分組*/
/*描述：*/
/*參數：*/
/* context，SHA的內容值，存儲計算結果既初始值，輸入輸出*/
/*返回值：無*/
static void SHA1ProcessMessageBlock(SHA1Context*context)
{
/* SHA-1計算中用到的常數定義*/
const uint32_tK[]=;
int t; /*循環變數*/
uint32_t temp; /*臨時變數，存計算值*/
uint32_t W[80]; /*子明文分組數組*/
uint32_t A, B, C, D, E; /*初始值緩存變數*/
/*初始化子明文分組W的前16個字*/
for(t = 0; t < 16; t++)
{
W[t] = context->Message_Block[t * 4]
W[t] = context->Message_Block[t * 4 +1]
W[t] = context->Message_Block[t * 4 +2]
W[t] = context->Message_Block[t * 4 +3];
}
for(t = 16; t < 80; t++)
{
W[t] = SHA1CircularShift(1,W[t-3] ^ W[t-8]^ W[t-14] ^ W[t-16]);
}
A = context->Intermediate_Hash[0];
B = context->Intermediate_Hash[1];
C = context->Intermediate_Hash[2];
D = context->Intermediate_Hash[3];
E = context->Intermediate_Hash[4];
/*第1輪20步計算*/
for(t = 0; t < 20; t++)
{
temp = SHA1CircularShift(5,A)+((B & C) ((~B) & D)) + E + W[t] + K[0];
E = D;
D = C;
C = SHA1CircularShift(30,B);
B = A;
A = temp;
}
/*第2輪20步計算*/
for(t = 20; t < 40; t++)
{
temp = SHA1CircularShift(5,A) + (B ^ C ^ D)+ E + W[t] + K[1];
E = D;
D = C;
C = SHA1CircularShift(30,B);
B =A;
A = temp;
}
/*第3輪20步計算*/
for(t = 40; t < 60; t++)
{
temp = SHA1CircularShift(5,A)+((B & C) (B & D) (C & D)) + E + W[t] + K[2];
E = D;
D = C;
C = SHA1CircularShift(30,B);
B = A;
A = temp;
}
/*第4輪20步計算*/
for(t = 60; t < 80; t++)
{
temp = SHA1CircularShift(5,A) + (B ^ C ^ D)+ E + W[t] + K[3];
E = D;
D = C;
C = SHA1CircularShift(30,B);
B = A;
A = temp;
}
context->Intermediate_Hash[0] += A;
context->Intermediate_Hash[1] += B;
context->Intermediate_Hash[2] += C;
context->Intermediate_Hash[3] += D;
context->Intermediate_Hash[4] += E;
context->Message_Block_Index = 0;
}
還需要實現一個對消息進行補位和追加消息長度並進行處理的函數。根據標準，消息必須被填充到一個剩至512位。第一個填充位必須是"1"。最後64位表示原始消息的長度。中間的所有位都應該是。該函數將根據這些規則填充消息，並相應地填充Message_Block數組。
/* SHA1PadMessage函數，補全消息，並添加長度，計算最終結果*/
/*參數：*/
/* context，SHA的內容值，存儲計算結果既初始值，輸入輸出*/
/*返回值：無*/
static voidSHA1PadMessage(SHA1Context *context)
{
/*檢查當前的消息分組，如果小於等於55個位元組，則直接添加補位和長度信息。否則，如果大於55個位元組，我們填充塊到512位，並處理它，然後繼續填充到第二個塊中直道448位，最後填寫長度信息。*/
if (context->Message_Block_Index > 55)
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0x80;
while(context->Message_Block_Index
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0;
}
SHA1ProcessMessageBlock(context);
while(context->Message_Block_Index
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++]= 0;
}
}
else
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0x80;
while(context->Message_Block_Index
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0;
}
}
/*將明文長度填入到最後8個位元組中*/
context->Message_Block[56] =context->Length_High >> 24;
context->Message_Block[57] =context->Length_High >> 16;
context->Message_Block[58] =context->Length_High >> 8;
context->Message_Block[59] =context->Length_High;
context->Message_Block[60] =context->Length_Low >> 24;
context->Message_Block[61] =context->Length_Low >> 16;
context->Message_Block[62] =context->Length_Low >> 8;
context->Message_Block[63] =context->Length_Low;
SHA1ProcessMessageBlock(context);
}
至此SHA1散列演算法就全部實現完了，需要說明一下的是相應的結構體定義和錯誤代碼的定義如下：
/*定義SHA-1內容保存結構體*/
typedef structSHA1Context
{
uint32_tIntermediate_Hash[SHA1HashSize/4]; /*信息摘要*/
uint32_t Length_Low; /*按位計算的信息長度低字*/
uint32_t Length_High; /*按位計算的信息長度高字*/
int_least16_t Message_Block_Index; /*信息分組數組的索引*/
uint8_t Message_Block[64]; /* 512位信息分組*/
int Computed; /*摘要計算標識*/
int Corrupted; /*信息摘要損壞標識*/
} SHA1Context;
typedef enum
{
shaSuccess = 0, /*處理成功*/
shaNull, /*指針參數為NUll */
shaInputTooLong, /*輸入消息長度超範圍*/
shaStateError /*在處理完畢後，未經初始化直接調用輸入處理*/
}ErrorCode;
4、總結
我們已經實現了SHA1這一散列演算法，接下來我們驗證一下它的效果如何。首先我們輸入信息「abcdef」，計算結果，並使用通用工具驗算。
以上2圖我們可以看到結果是一致的，接下來我們輸入信息：「a1b23c4d5e6f7g8h9i0j」，計算結果如下：
對比上述2圖的結果也是一致的。接下來我們分別測試長度448位、長度超過448位、長度超過512位的明文信息，所得的結果也是正確的，說明我們的實現沒有問題。
前面我說了SHA-1與MD5是同源的散列演算法，那他們究竟有何區別於聯繫呢？接下來我們簡單的比較一下這兩種演算法：
（1）、因為二者均由MD4導出，SHA-1和MD5彼此很相似。相應的，他們的強度和其他特性也是相似，但還有以下幾點不同：
（2）、對強行供給的安全性：最顯著和最重要的區別是SHA-1摘要比MD5摘要長32位。使用強行技術，產生任何一個報文使其摘要等於給定報摘要的難度對MD5是2^128數量級的操作，而對SHA-1則是2^160數量級的操作。這樣，SHA-1對強行攻擊有更大的強度。
（3）、對密碼分析的安全性：由於MD5的設計，易受密碼分析的攻擊，SHA-1顯得不易受這樣的攻擊。
（4）、速度：在相同的硬體上，SHA-1的運行速度比MD5慢。
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