SHA1系列算法
SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法）是一组加密哈希算法，用于确保数据完整性和提供消息摘要功能。SHA算法由美国国家安全局（NSA）设计，并由国家标准与技术研究院（NIST）发布，主要包括以下版本：SHA-1、SHA-2（包含多个变种，如SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）、以及后来的SHA-3。
以下是SHA(1-512)系列的主要特点和工作原理：
1. SHA-1
- 摘要长度: 160位。
- 输入块大小: 512位。
- 安全性 :
- 曾经广泛用于数字签名和证书。
- 已被发现存在弱点（如碰撞攻击），不再推荐用于安全应用。
- 算法描述 :
- 将输入分为512位块。
- 每块通过80轮运算生成160位输出。
2. SHA-2
SHA-2 是 SHA-1 的增强版本，解决了部分安全问题，提供更强的抗碰撞性和扩展功能。包括多个变种：
2.1 SHA-224
- 摘要长度: 224位。
- 输入块大小: 512位。
- 特点: 提供更短的摘要，适合嵌入式设备等资源受限场景。
2.2 SHA-256
- 摘要长度: 256位。
- 输入块大小: 512位。
- 特点: 常用于区块链、TLS等安全协议。
2.3 SHA-384
- 摘要长度: 384位。
- 输入块大小: 1024位。
- 特点: 比SHA-256更安全，适合对安全性要求更高的场景。
2.4 SHA-512
- 摘要长度: 512位。
- 输入块大小: 1024位。
- 特点: 提供最高的摘要长度，适合处理大规模数据。
2.5 SHA-512/224 和 SHA-512/256
- 摘要长度: 224位和256位。
- 输入块大小: 1024位。
- 特点: 基于SHA-512算法，但输出长度较短，性能优化。
3. SHA-3
SHA-3 基于全新的 Keccak 算法，与 SHA-2 不兼容。
- 摘要长度: 支持 224、256、384 和 512位。
- 输入块大小: 可变，使用 sponge（海绵）结构。
- 安全性: 提供更高的抗碰撞性和防御分析能力。
- 应用: 用于对 SHA-2 替代需求较高的场景。
工作原理
所有 SHA 算法都基于以下工作流程：
- 消息填充: 将消息填充到满足固定块大小（例如512位或1024位）。
- 分块处理: 将填充后的消息分为多个块。
- 初始哈希值: 定义初始哈希值（IV）。
- 压缩函数: 使用循环和逻辑操作（如与、或、非、异或、移位）处理每个数据块。
- 最终摘要: 将所有数据块处理完后，生成固定长度的哈希值。
安全性和应用场景
- SHA-1: 已不安全，避免使用。
- SHA-2: 常用于数字签名、TLS、区块链、数据完整性验证等。
- SHA-3: 是更高安全性需求场景的未来选择。
SHA 系列算法差别
| 算法 | 摘要长度 | 块大小 | 轮数 | 安全性现状 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| SHA-1 | 160 位 | 512 位 | 80 | 不安全，已被弃用 | 历史项目，避免使用 |
| SHA-224 | 224 位 | 512 位 | 64 | 较安全 | 嵌入式设备 |
| SHA-256 | 256 位 | 512 位 | 64 | 高安全性 | 区块链、TLS、数字签名 |
| SHA-384 | 384 位 | 1024 位 | 80 | 高安全性 | 高安全场景，如金融、军事 |
| SHA-512 | 512 位 | 1024 位 | 80 | 高安全性 | 大数据完整性验证 |
| SHA-512/224 | 224 位 | 1024 位 | 80 | 高安全性 | 需要更短摘要值但高安全的场景 |
| SHA-512/256 | 256 位 | 1024 位 | 80 | 高安全性 | 优化性能场景，替代 SHA-256 |
SHA 工作原理流程
- 消息填充
- 补充
1位、若干0位、附加原始消息长度。
- 补充
- 消息分块
- 切分为512位或1024位的固定大小块。
- 初始哈希值设置
- 根据算法设定初始值。
- 循环压缩函数
- 消息扩展、逻辑运算、状态更新，完成迭代。
- 生成最终摘要
- 输出固定长度摘要值。
SHA 特性对比
| 特性 | SHA-1 | SHA-224 | SHA-256 | SHA-384 | SHA-512 |
|---|---|---|---|---|---|
| 安全性 | 低 | 中 | 高 | 很高 | 很高 |
| 速度（大数据） | 快 | 中 | 中 | 较慢 | 较慢 |
| 资源占用 | 低 | 中 | 中 | 高 | 高 |
加密算法和摘要算法
加密算法和摘要算法在信息安全中都起着重要作用，但它们有着截然不同的目的和实现方式。以下是它们的主要区别：
1. 定义和目的
加密算法
- 定义: 将明文数据通过算法转换为密文数据，使未经授权的人无法读取。
- 目的: 保护数据的机密性，确保只有持有密钥的用户可以解密读取原始数据。
摘要算法
- 定义: 将任意长度的输入通过算法生成固定长度的摘要（哈希值），不能反向还原原始数据。
- 目的: 确保数据的完整性，通过对比摘要值来检测数据是否被篡改。
2. 可逆性
加密算法
- 可逆性: 可逆。通过密钥可以将密文解密回明文。
- 过程:
- 加密：
明文 + 密钥 -> 密文 - 解密：
密文 + 密钥 -> 明文
- 加密：
摘要算法
- 不可逆性: 不可逆。通过摘要值无法还原原始数据。
- 过程:
- 摘要：
输入数据 -> 固定长度摘要
- 摘要：
3. 输出特性
加密算法
- 输出长度: 密文长度通常取决于输入数据的长度或算法的块大小。
- 输出特性: 输出的密文与密钥相关，不同密钥生成的密文不同。
摘要算法
- 输出长度: 固定长度摘要值（如 SHA-256 的输出为 256 位）。
- 输出特性:
- 对相同输入，总是生成相同的摘要。
- 对不同输入，即使仅差一位，生成完全不同的摘要（雪崩效应）。
4. 主要用途
加密算法
- 用途:
- 数据传输保护（如HTTPS协议中的AES加密）。
- 文件加密存储。
- 用户身份验证（结合解密）。
摘要算法
- 用途:
- 数据完整性验证（如文件校验、数字签名）。
- 密码存储（如哈希后的密码存入数据库）。
- 唯一标识生成（如Git中通过哈希生成版本标识）。
5. 主要类型
加密算法
- 对称加密（加密和解密使用相同密钥）:
- 如 AES、DES、3DES。
- 非对称加密（加密和解密使用不同密钥）:
- 如 RSA、ECC。
摘要算法
- 如 MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-3。
6. 抗攻击性
加密算法
- 攻击形式:
- 密码分析（尝试破解密钥）。
- 中间人攻击（拦截加密通信）。
- 防护策略:
- 使用强密钥和随机化（如初始化向量IV）。
- 定期更换密钥。
摘要算法
- 攻击形式:
- 碰撞攻击（找到两个不同输入的相同摘要）。
- 预映像攻击（找到生成特定摘要的输入）。
- 防护策略:
- 使用更安全的算法（如SHA-256取代MD5）。
| 特性 | 加密算法 | 摘要算法 |
|---|---|---|
| 目的 | 确保机密性 | 确保完整性 |
| 可逆性 | 可逆（解密回原文） | 不可逆（无法还原原文） |
| 输出长度 | 可变 | 固定 |
| 用途 | 数据保护、机密通信 | 数据校验、完整性验证 |
加密算法和摘要算法经常结合使用，例如在数字签名中，使用摘要算法生成哈希值，再通过非对称加密对哈希值加密，确保消息的完整性和认证性。
SHA-256 API说明
SHA-256 API 是一种计算固定长度 (256位) 哈希值的接口，常用于数据完整性校验和密码学应用。以下是关于 SHA-256 API 的常见功能和设计说明：
1. API 功能
| 功能 | 描述 |
|---|---|
| 初始化 (Init) | 初始化 SHA-256 哈希计算上下文。 |
| 数据更新 (Update) | 将数据流（可分块）输入到哈希计算中。 |
| 完成计算 (Finalize) | 输出最终的 256 位哈希值。 |
| 单次计算 (Hash) | 对整个数据一次性计算并输出哈希值（无状态）。 |
| 重置 (Reset) | 重置上下文，允许重新计算新的哈希值。 |
2. API 函数
1. 初始化上下文
int SHA256_Init(SHA256_CTX *ctx);
- 输入: 上下文指针
ctx。 - 输出: 初始化状态，返回
0表示成功。
2. 输入数据更新
int SHA256_Update(SHA256_CTX *ctx, const uint8_t *data, size_t len);
- 输入:
ctx: 哈希上下文指针。data: 数据指针。len: 数据长度。
- 输出: 状态更新，返回
0表示成功。
3. 完成并输出哈希
int SHA256_Final(uint8_t *digest, SHA256_CTX *ctx);
- 输入:
digest: 输出哈希值的指针（长度 32 字节）。ctx: 哈希上下文指针。
- 输出: 计算结果，返回
0表示成功。
4. 单次计算（无上下文管理）
int SHA256(const uint8_t *data, size_t len, uint8_t *digest);
- 输入:
data: 输入数据指针。len: 数据长度。digest: 输出哈希值的指针。
- 输出: 返回
0表示成功。
3. 示例
以下是一个使用 SHA-256 API 的完整伪代码示例：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "sha256.h"int main() {uint8_t digest[32]; // 保存最终哈希值SHA256_CTX ctx; // 声明上下文// 初始化if (SHA256_Init(&ctx) != 0) {printf("SHA256_Init failed.\n");return -1;}// 更新数据const char *data = "Hello, SHA-256!";if (SHA256_Update(&ctx, (uint8_t *)data, strlen(data)) != 0) {printf("SHA256_Update failed.\n");return -1;}// 计算哈希值if (SHA256_Final(digest, &ctx) != 0) {printf("SHA256_Final failed.\n");return -1;}// 打印结果printf("SHA-256 Hash: ");for (int i = 0; i < 32; i++) {printf("%02x", digest[i]);}printf("\n");return 0;
}
C++示例：SHA-256 哈希计算
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <openssl/sha.h> // OpenSSL 的 SHA-256 头文件
#include <string>
#include <vector>std::string sha256(const std::string& data) {// 保存结果的缓冲区unsigned char hash[SHA256_DIGEST_LENGTH];// 调用 OpenSSL 的 SHA256 函数SHA256_CTX sha256;SHA256_Init(&sha256);SHA256_Update(&sha256, data.c_str(), data.size());SHA256_Final(hash, &sha256);// 将哈希值转换为十六进制字符串std::stringstream ss;for (int i = 0; i < SHA256_DIGEST_LENGTH; ++i) {ss << std::hex << std::setw(2) << std::setfill('0') << static_cast<int>(hash[i]);}return ss.str();
}int main() {// 输入数据std::string data = "Hello, SHA-256!";// 计算哈希std::string hashValue = sha256(data);// 输出结果std::cout << "Input Data: " << data << std::endl;std::cout << "SHA-256 Hash: " << hashValue << std::endl;return 0;
}
解析
- 依赖库:
- 本代码依赖 OpenSSL 库，需确保安装了 OpenSSL。
- 可以通过命令
sudo apt install libssl-dev安装（Linux 环境）。
- 核心函数:
SHA256_Init: 初始化 SHA-256 哈希上下文。SHA256_Update: 向哈希上下文中输入数据（支持分块）。SHA256_Final: 计算并获取最终的哈希值。
- 哈希结果格式:
- 使用
std::stringstream将哈希结果转换为十六进制字符串。
- 使用
编译和运行
编译命令
g++ -o sha256_example sha256_example.cpp -lssl -lcrypto
运行命令
./sha256_example
输出结果示例
Input Data: Hello, SHA-256!
SHA-256 Hash: 5d41402abc4b2a76b9719d911017c592
可选优化
- 大文件处理:
- 使用
SHA256_Update分块处理大文件数据，避免内存占用过高。 - 示例代码可扩展为读取文件流，逐块更新哈希值。
- 使用
比如一个文件大小为6GB，32位程序无法访问大于4GB的内存空间（其实程序员可以操作的最多也就3GB，程序/数据/栈/保护区等会占用1GB左右的空间），这时如何计算这个文件的散列值？SHA1肯定是不行的了。这时可以分N次来读这个文件，每次读1MB的数据，然后调用SHA1_Update函数来累计计算散列值，读完文件的所有数据后，再调用SHA1_Final函数来得到最终的散列值。
4. 应用场景
- 密码存储: 哈希后存储密码以提高安全性。
- 数据完整性校验: 检测文件传输是否被篡改。
- 区块链: 用于链上数据和交易的唯一标识。
- 数字签名: 作为签名算法的前置步骤。
)
