SHA:安全散列算法简析 附实例_其它综合

来源:脚本之家  责任编辑:小易  

安全散列算法SHA(Secure Hash Algorithm)是美国国家安全局(NSA)设计,美国国家标准与技术研究院(NIST)发布的一系列密码散列函数,包括 SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512 等变体。主要适用于数字签名标准(DigitalSignature Standard DSS)里面定义的数字签名算法(Digital Signature Algorithm DSA)。下面以 SHA-1为例,介绍该算法计算消息摘要的原理。对于长度小于2^64位的消息,SHA1会产生一个160位的消息摘要。当接收到消息的时候,这个消息摘要可以用来验证数据的完整性。在传输的过程中,数据很可能会发生变化,那么这时候就会产生不同的消息摘要。SHA1有如下特性:不可以从消息摘要中复原信息;两个不同的消息不会产生同样的消息摘要。一、术语和概念(一)位(Bit),字节(Byte)和字(Word)SHA1始终把消息当成一个位(bit)字符串来处理。本文中,一个“字”(Word)是32位,而一个“字节”(Byte)是8位。比如,字符串“abc”可以被转换成一个位字符串:01100001 01100010 01100011。它也可以被表示成16进制字符串:0x616263.(二)运算符和符号下面的逻辑运算符都被运用于“字”(Word)X^Y=X,Y逻辑与X \\/Y=X,Y逻辑或X XOR Y=X,Y逻辑异或X=X逻辑取反X+Y定义如下:字 X 和Y 代表两个整数 x 和y,其中0^32 且 0^32.令整数z=(x+y)mod 2^32.这时候 0^32.将z转换成字Z,那么就是 Z=X+Y.循环左移位操作符Sn(X)。X是一个字,n是一个整数,0。Sn(X)=(X<>32-n)X<定义如下:抛弃最左边的n位数字,将各个位依次向左移动n位,然后用0填补右边的n位(最后结果还是32位)。X>>n是抛弃右边的n位,将各个位依次向右移动n位,然后在左边的n位填0。因此可以叫Sn(X)位循环移位运算二、SHA1算法描述在SHA1算法中,我们必须把原始消息(字符串,文件等)转换成位字符串。SHA1算法只接受位作为输入。假设我们对字符串“abc”产生消息摘要。首先,我们将它转换成位字符串如下:01100001 0110001001100011―――――――――――――‘a’=97‘b’=98‘c’=99这个位字符串的长度为24。下面我们需要5个步骤来计算MD5。(一)补位消息必须进行补位,以使其长度在对512取模以后的余数是448。也就是说,(补位后的消息长度)%512=448。即使长度已经满足对512取模后余数是448,补位也必须要进行。补位是这样进行的:先补一个1,然后再补0,直到长度满足对512取模后余数是448。总而言之,补位是至少补一位,最多补512位。还是以前面的“abc”为例显示补位的过程。原始信息:01100001 01100010 01100011补位第一步:0110000101100010 01100011 1首先补一个“1”补位第二步:0110000101100010 01100011 10….0然后补423个“0”我们可以把最后补位完成后的数据用16进制写成下面的样子61626380 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 00000000现在,数据的长度是448了,我们可以进行下一步操作。(二)补长度所谓的补长度是将原始数据的长度补到已经进行了补位操作的消息后面。通常用一个64位的数据来表示原始消息的长度。如果消息长度不大于2^64,那么第一个字就是0。在进行了补长度的操作以后,整个消息就变成下面这样了(16进制格式)61626380 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 00000018如果原始的消息长度超过了512,我们需要将它补成512的倍数。然后我们把整个消息分成一个一个512位的数据块,分别处理每一个数据块,从而得到消息摘要。(三)使用的常量一系列的常量字K(0),K(1),.,K(79),如果以16进制给出。它们如下:Kt=0x5A827999(0)Kt=0x6ED9EBA1(20)Kt=0x8F1BBCDC(40)Kt=0xCA62C1D6(60).(四)需要使用的函数在SHA1中我们需要一系列的函数。每个函数ft(0)都操作32位字B,C,D并且产生32位字作为输出。ft(B,C,D)可以如下定义ft(B,C,D)=(B ANDC)or((NOT B)AND D)(0)ft(B,C,D)=B XOR CXOR D(20)ft(B,C,D)=(B ANDC)or(B AND D)or(C AND D)(40)ft(B,C,D)=B XOR CXOR D(60).(五)计算消息摘要必须使用进行了补位和补长度后的消息来计算消息摘要。计算需要两个缓冲区,每个都由5个32位的字组成,还需要一个80个32位字的缓冲区。第一个5个字的缓冲区被标识为A,B,C,D,E。第二个5个字的缓冲区被标识为H0,H1,H2,H3,H4。80个字的缓冲区被标识为W0,W1,.,W79另外还需要一个一个字的TEMP缓冲区。为了产生消息摘要,在第4部分中定义的16个字的数据块M1,M2,.,Mn会依次进行处理,处理每个数据块Mi 包含80个步骤。在处理每个数据块之前,缓冲区{Hi} 被初始化为下面的值(16进制)H0=0x67452301H1=0xEFCDAB89H2=0x98BADCFEH3=0x10325476H4=0xC3D2E1F0.现在开始处理M1,M2,.,Mn。为了处理 Mi,需要进行下面的步骤(1).将Mi 分成 16 个字 W0,W1,.,W15,W0 是最左边的字(2).对于t=16 到 79 令 Wt=S1(Wt-3 XOR Wt-8XOR Wt-14 XOR Wt-16).(3).令A=H0,B=H1,C=H2,D=H3,E=H4.(4)对于t=0 到 79,执行下面的循环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.在处理完所有的 Mn,后,消息摘要是一个160位的字符串,以下面的顺序标识H0 H1 H2 H3 H4.对于SHA256、SHA384、SHA512。你也可以用相似的办法来计算消息摘要。对消息进行补位的算法完全是一样的。三、SHA算法被破解了吗?2013年9月10日美国约翰霍普金斯大学的计算机科学教授,知名的加密算法专家,Matthew Green被NSA要求删除他的一份关于破解加密算法的与NSA有关的博客。同时约翰霍普金斯大学服务器上的该博客镜像也被要求删除。加密算法专家,美国约翰霍普金斯大学教授Matthew Green但当记者向该大学求证时,该校称从未收到来自NSA的要求要删除博客或镜像的资料,但记者却无法在原网址再找到该博客。幸运的是,从谷歌的缓存可以找到该博客。该博客提到NSA每年花费2.5亿美元来为自己在解密信息方面获取优势,并列举了NSA的一系列见不得人的做法。在BitcoinTalk上,已经掀起了一轮争论:到底SHA-2是否安全?部分认为不安全的观点包括:NSA制造了sha-2,我们不相信NSA,他们不可能不留后门。棱镜事件已经明白的告诉我们,政府会用一切可能的手段来监视与解密。虽然有很多人会研究SHA-2,且目前没有公开的证据表明有漏洞。但没有公开这并不能代表就没有,因为发现漏洞的人一定更倾向于保留这个秘密来自己利用,而不是公布。部分认为安全的观点包括:SHA-2是应用广泛的算法,应该已经经历了实践的检验。美国的对头中国和俄国都有很多杰出的数学家,如果有问题的话,他们肯定已经发现了。如果真的不安全,世界上安全的东西就太少了,我不能生活在提心吊胆里,所以我选择相信安全www.zgxue.com防采集请勿采集本网。

前言

体能状态先于精神状态,习惯先于决心,聚焦先于喜好。

SHA算法简介

1.1 概述

我也只能说说思想 散列算法的算法就是争取一个萝卜一个坑的原则 比如说有5个数 12,25,30,45,50,这几个数有个规律,就是十位数都不相同, 如果我设置一个散列函数f(value)=value/10;平常的时候,我们

  SHA (Secure Hash Algorithm,译作安全散列算法) 是美国国家安全局 (NSA) 设计,美国国家标准与技术研究院(NIST) 发布的一系列密码散列函数。正式名称为 SHA 的家族第一个成员发布于 1993年。然而人们给它取了一个非正式的名称 SHA-0 以避免与它的后继者混淆。两年之后, SHA-1,第一个 SHA 的后继者发布了。 另外还有四种变体,曾经发布以提升输出的范围和变更一些细微设计: SHA-224, SHA-256, SHA-384 和 SHA-512 (这些有时候也被称做 SHA-2)。

MD5 和SHA-1 是目前使用比较广泛的散列(Hash)函数,也是在消息认证和数字签名中普遍使用的两种加密算法。本文基于AVR 高速嵌入式单片机,实现了MD5和SHA-1 两种加密算法的比较,并对算法进行了

  SHA家族的五个算法,分别是SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384,和SHA-512,由美国国家安全局(NSA)所设计,并由美国国家标准与技术研究院(NIST)发布;是美国的政府标准。后四者有时并称为SHA-2。SHA-1在许多安全协定中广为使用,包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec,曾被视为是MD5(更早之前被广为使用的杂凑函数)的后继者。但SHA-1的安全性如今被密码学家严重质疑;虽然至今尚未出现对SHA-2有效的攻击,它的算法跟SHA-1基本上仍然相似;因此有些人开始发展其他替代的杂凑算法。

1.2 SHA算法原理

在散列表的插入和查找算法中,平均查找长度与表的大小m无关,只与选取的散列函数、α值和处理冲突的方法有关,若假定所选取的散列函数能够使任一关键字等概率地映射到散列空间的任一地址上,理论上证明:

  SHA-1是一种数据加密算法,该算法的思想是接收一段明文,然后以一种不可逆的方式将它转换成一段(通常更小)密文,也可以简单的理解为取一串输入码(称为预映射或信息),并把它们转化为长度较短、位数固定的输出序列即散列值(也称为信息摘要或信息认证代码)的过程。

1.防火墙技术 2.虚拟专网技术(VPN) 3.数据加密技术加密技术是保证电子商务系统安全所采用的最基本的安全措施 4.安全认证技术 5.选择合适的电子商务安全协议

  单向散列函数的安全性在于其产生散列值的操作过程具有较强的单向性。如果在输入序列中嵌入密码,那么任何人在不知道密码的情况下都不能产生正确的散列值,从而保证了其安全性。SHA将输入流按照每块512位(64个字节)进行分块,并产生20个字节的被称为信息认证代码或信息摘要的输出。

要实现安全登录,可以采用下面三种方法,一种基于非对称加密算法,一种基于对称加密算法,最后一种基于散列算法。下面我们来分别讨论这三种方法。非对称加密算法中,目前最常用的是 RSA 算法和

  该算法输入报文的长度不限,产生的输出是一个160位的报文摘要。输入是按512 位的分组进行处理的。SHA-1是不可逆的、防冲突,并具有良好的雪崩效应。

  通过散列算法可实现数字签名实现,数字签名的原理是将要传送的明文通过一种函数运算(Hash)转换成报文摘要(不同的明文对应不同的报文摘要),报文摘要加密后与明文一起传送给接受方,接受方将接受的明文产生新的报文摘要与发送方的发来报文摘要解密比较,比较结果一致表示明文未被改动,如果不一致表示明文已被篡改。

1.3 SHA算法应用

  SHA算法主要用于被政府部门和私营业主用来处理敏感的信息。例如,支付机构,银行之间的数据传输,有的是使用SHA散列算计进行加密。

SHA 安全散列算法

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.

和MD5类似,安全散列算法可以根据字符串生成一定长度的摘要信息,该摘要信息不可逆转,且不同的字符串的摘要信息相同的概率极低。

SHA家族

SHA 有多个算法,有一些已经过时不再推荐使用,有一些是安全度很高的,但是会降低性能。

SHA1

对于长度小于2^64位的消息,SHA1会产生一个160位的消息摘要。

不可以从消息摘要中复原信息;两个不同的消息不会产生同样的消息摘要,(但会有1x10 ^ 48分之一的机率出现相同的消息摘要,一般使用时忽略)。

可以用于校验信息是否被篡改,比如数字证书的签名

已经不安全了,所以数字签名证书多用SHA256

SHA256

SHA256 从功能上来说和 SHA1类似,一般也用于信息摘要,算法使用的哈希值长度是256位

用于数字证书的签名,一般数据的签名,目前流行的安全散列算法

SHA384、SHA512

内容略,更安全,也更消耗性能,截止2019年8月20日,这两种算法都还没有大范围推荐使用,市面上推荐的是 SHA256

安全性

目前而言,SHA1 不安全了,SHA256还是安全的

但是从兼容性来说,很多系统依旧支持SHA1,但是最新的则会要求是SHA256

Java 中的 SHA

使用 commons-codec

可以使用 Apache 提供的 jar 包 commons-codec

Maven 依赖如下

<dependency><groupId>commons-codec</groupId><artifactId>commons-codec</artifactId><version>1.10</version></dependency>

代码举例

结果是字节数组,转化为 16进制展示

Java

import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;public class ShaTest { public static void main(String [] args){ String str="123"; String sha1HexStr=DigestUtils.sha1Hex(str.getBytes()); System.out.println("SHA1"+":"+sha1HexStr.length()+";"+sha1HexStr); String sha256HexStr=DigestUtils.sha256Hex(str.getBytes()); System.out.println("SHA256"+":"+sha256HexStr.length()+";"+sha256HexStr); String sha384HexStr=DigestUtils.sha384Hex(str.getBytes()); System.out.println("SHA384"+":"+sha384HexStr.length()+";"+sha384HexStr); String sha512HexStr=DigestUtils.sha512Hex(str.getBytes()); System.out.println("SHA512"+":"+sha512HexStr.length()+";"+sha512HexStr); }}

结果-使用16进制展示

SHA1:40;40bd001563085fc35165329ea1ff5c5ecbdbbeef

SHA256:64;a665a45920422f9d417e4867efdc4fb8a04a1f3fff1fa07e998e86f7f7a27ae3

SHA384:96;9a0a82f0c0cf31470d7affede3406cc9aa8410671520b727044eda15b4c25532a9b5cd8aaf9cec4919d76255b6bfb00f

SHA512:128;3c9909afec25354d551dae21590bb26e38d53f2173b8d3dc3eee4c047e7ab1c1eb8b85103e3be7ba613b31bb5c9c36214dc9f14a42fd7a2fdb84856bca5c44c2

下面是其他网友的补充

java代码实现SHA算法

package cn.mars.app.txn.wanglian; import java.security.MessageDigest; import java.security.NoSuchAlgorithmException; public class Sha1Util { /** * SHA1签名 * @param paramStr 要加签的字符串 * @return */ public static String SHA1(String paramStr) { MessageDigest alg; String result = ""; String tmp = ""; try { alg = MessageDigest.getInstance("SHA-1"); alg.update(paramStr.getBytes()); byte[] bts = alg.digest(); for (int i = 0; i < bts.length; i++) { tmp = (Integer.toHexString(bts[i] & 0xFF)); if (tmp.length() == 1) result += "0"; result += tmp; } } catch (NoSuchAlgorithmException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } return result; } public static void main(String[] args) { String sha1 = SHA1("111"); System.out.println(sha1); }}

经过加密后的字符串的个数是固定的:40

package com.enterise.test;public class SHA1 {private final int[] abcde = { 0x67452301,0xefcdab89,0x98badcfe,0x10325476,0xc3d2e1f0 };// 摘要数据存储数组private int[] digestInt = new int[5];// 计算过程中的临时数据存储数组private int[] tmpData = new int[80];//测试public static void main(String[] args) {String param = "";System.out.println("加密前:" + param);System.out.println("length-->"+param.length());String digest = new SHA1().getDigestOfString(param.getBytes());System.out.println("加密后:" + digest);System.out.println("length-->"+digest.length());}// 计算sha-1摘要private int process_input_bytes(byte[] bytedata) {// 初试化常量System.arraycopy(abcde,0,digestInt,0,abcde.length);// 格式化输入字节数组,补10及长度数据byte[] newbyte = byteArrayFormatData(bytedata);// 获取数据摘要计算的数据单元个数int MCount = newbyte.length / 64;// 循环对每个数据单元进行摘要计算for (int pos = 0; pos < MCount; pos++) {// 将每个单元的数据转换成16个整型数据,并保存到tmpData的前16个数组元素中for (int j = 0; j < 16; j++) {tmpData[j] = byteArrayToInt(newbyte,(pos * 64) + (j * 4));}//摘要计算函数encrypt();}return 20;}// 格式化输入字节数组格式private byte[] byteArrayFormatData(byte[] bytedata) {// 补0数量int zeros = 0;// 补位后总位数int size = 0;// 原始数据长度int n = bytedata.length;// 模64后的剩余位数int m = n % 64;// 计算添加0的个数以及添加10后的总长度if (m < 56) {zeros = 55 - m;size = n - m + 64;} else if (m == 56) {zeros = 63;size = n + 8 + 64;} else {zeros = 63 - m + 56;size = (n + 64) - m + 64;}// 补位后生成的新数组内容byte[] newbyte = new byte[size];// 复制数组的前面部分System.arraycopy(bytedata,0,newbyte,0,n);// 获得数组Append数据元素的位置int l = n;// 补1操作newbyte[l++] = (byte) 0x80;// 补0操作for (int i = 0; i < zeros; i++) {newbyte[l++] = (byte) 0x00;}// 计算数据长度,补数据长度位共8字节,长整型long N = (long) n * 8;byte h8 = (byte) (N & 0xFF);byte h7 = (byte) ((N >> 8) & 0xFF);byte h6 = (byte) ((N >> 16) & 0xFF);byte h5 = (byte) ((N >> 24) & 0xFF);byte h4 = (byte) ((N >> 32) & 0xFF);byte h3 = (byte) ((N >> 40) & 0xFF);byte h2 = (byte) ((N >> 48) & 0xFF);byte h1 = (byte) (N >> 56);newbyte[l++] = h1;newbyte[l++] = h2;newbyte[l++] = h3;newbyte[l++] = h4;newbyte[l++] = h5;newbyte[l++] = h6;newbyte[l++] = h7;newbyte[l++] = h8;return newbyte;}private int f1(int x,int y,int z) {return (x & y) | (~x & z);}private int f2(int x,int y,int z) {return x ^ y ^ z;}private int f3(int x,int y,int z) {return (x & y) | (x & z) | (y & z);}private int f4(int x,int y) {return (x << y) | x >>> (32 - y);}////单元摘要计算函数private void encrypt() {for (int i = 16; i <= 79; i++) {tmpData[i] = f4(tmpData[i - 3] ^ tmpData[i - 8] ^ tmpData[i - 14]^ tmpData[i - 16],1);}int[] tmpabcde = new int[5];for (int i1 = 0; i1 < tmpabcde.length; i1++) {tmpabcde[i1] = digestInt[i1];}for (int j = 0; j <= 19; j++) {int tmp = f4(tmpabcde[0],5)+ f1(tmpabcde[1],tmpabcde[2],tmpabcde[3]) + tmpabcde[4]+ tmpData[j] + 0x5a827999;tmpabcde[4] = tmpabcde[3];tmpabcde[3] = tmpabcde[2];tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1],30);tmpabcde[1] = tmpabcde[0];tmpabcde[0] = tmp;}for (int k = 20; k <= 39; k++) {int tmp = f4(tmpabcde[0],5)+ f2(tmpabcde[1],tmpabcde[2],tmpabcde[3]) + tmpabcde[4]+ tmpData[k] + 0x6ed9eba1;tmpabcde[4] = tmpabcde[3];tmpabcde[3] = tmpabcde[2];tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1],30);tmpabcde[1] = tmpabcde[0];tmpabcde[0] = tmp;}for (int l = 40; l <= 59; l++) {int tmp = f4(tmpabcde[0],5)+ f3(tmpabcde[1],tmpabcde[2],tmpabcde[3]) + tmpabcde[4]+ tmpData[l] + 0x8f1bbcdc;tmpabcde[4] = tmpabcde[3];tmpabcde[3] = tmpabcde[2];tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1],30);tmpabcde[1] = tmpabcde[0];tmpabcde[0] = tmp;}for (int m = 60; m <= 79; m++) {int tmp = f4(tmpabcde[0],5)+ f2(tmpabcde[1],tmpabcde[2],tmpabcde[3]) + tmpabcde[4]+ tmpData[m] + 0xca62c1d6;tmpabcde[4] = tmpabcde[3];tmpabcde[3] = tmpabcde[2];tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1],30);tmpabcde[1] = tmpabcde[0];tmpabcde[0] = tmp;}for (int i2 = 0; i2 < tmpabcde.length; i2++) {digestInt[i2] = digestInt[i2] + tmpabcde[i2];}for (int n = 0; n < tmpData.length; n++) {tmpData[n] = 0;}}// 4字节数组转换为整数private int byteArrayToInt(byte[] bytedata,int i) {return ((bytedata[i] & 0xff) << 24) | ((bytedata[i + 1] & 0xff) << 16)| ((bytedata[i + 2] & 0xff) << 8) | (bytedata[i + 3] & 0xff);}// 整数转换为4字节数组private void intToByteArray(int intValue,byte[] byteData,int i) {byteData[i] = (byte) (intValue >>> 24);byteData[i + 1] = (byte) (intValue >>> 16);byteData[i + 2] = (byte) (intValue >>> 8);byteData[i + 3] = (byte) intValue;}// 将字节转换为十六进制字符串private static String byteToHexString(byte ib) {char[] Digit = { '0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F' };char[] ob = new char[2];ob[0] = Digit[(ib >>> 4) & 0X0F];ob[1] = Digit[ib & 0X0F];String s = new String(ob);return s;}// 将字节数组转换为十六进制字符串private static String byteArrayToHexString(byte[] bytearray) {String strDigest = "";for (int i = 0; i < bytearray.length; i++) {strDigest += byteToHexString(bytearray[i]);}return strDigest;}// 计算sha-1摘要,返回相应的字节数组public byte[] getDigestOfBytes(byte[] byteData) {process_input_bytes(byteData);byte[] digest = new byte[20];for (int i = 0; i < digestInt.length; i++) {intToByteArray(digestInt[i],digest,i * 4);}return digest;}// 计算sha-1摘要,返回相应的十六进制字符串public String getDigestOfString(byte[] byteData) {return byteArrayToHexString(getDigestOfBytes(byteData));} }

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一个安全的散列算法需要具备的属性:1、能对抗野蛮的攻击,能够抵御穷举法的攻势。2、具有无限定义域,如任意长度的字节字符串和有限的值域或者固定长度的比特串。3、具备应用的多样性,对于给定的散列值,没有实用的方法可以计算出一个原始输入,也就是说很难伪造。4、能够因为环境因素的变化,如机器配置或者IP地址的改变而有变动。以保证源文件的安全性。5、方便错误监测和修复函数。当散列函数被用于校验和的时候可以用相对较短的散列值来验证任意长度的数据是否被更改过。6、安全散列算法接受的输入文档小于2的64次方 位,产生160位的报文摘要。该算法实际的目标使得找出一个能够匹配给定的散列值的文本是不可能的计算内容来自www.zgxue.com请勿采集。


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