信息摘要算法之二：SHA1算法分析及实现
SHA算法，即安全散列算法（Secure Hash Algorithm）是一种与MD5同源的数据加密算法，该算法经过加密专家多年来的发展和改进已日益完善，现在已成为公认的最安全的散列算法之一，并被广泛使用。
1、概述
SHA算法能计算出一个数位信息所对应到的，长度固定的字串，又称信息摘要。而且如果输入信息有任何的不同，输出的对应摘要不同的机率非常高。因此SHA算法也是FIPS所认证的五种安全杂凑算法之一。原因有两点：一是由信息摘要反推原输入信息，从计算理论上来说是极为困难的；二是，想要找到两组不同的输入信息发生信息摘要碰撞的几率，从计算理论上来说是非常小的。任何对输入信息的变动，都有很高的几率导致的信息摘要大相径庭。
SHA实际上是一系列算法的统称，分别包括：SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384以及SHA-512。后面4中统称为SHA-2，事实上SHA-224是SHA-256的缩减版，SHA-384是SHA-512的缩减版。各中SHA算法的数据比较如下表，其中的长度单位均为位：
类别 |
SHA-1 |
SHA-224 |
SHA-256 |
SHA-384 |
SHA-512 |
消息摘要长度 |
160 |
224 |
256 |
384 |
512 |
消息长度 |
小于位 |
小于位 |
小于位 |
小于位 |
小于位 |
分组长度 |
512 |
512 |
512 |
1024 |
1024 |
计算字长度 |
32 |
32 |
32 |
64 |
64 |
计算步骤数 |
80 |
64 |
64 |
80 |
80 |
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的后继者。SHA1主要适用于数字签名标准（Digital Signature Standard DSS）里面定义的数字签名算法（Digital Signature Algorithm DSA）。对于长度小于264位的消息，SHA1会产生一个160位的消息摘要。
2、基本原理
前面我们简单的介绍了SHA算法族，接下来我们以SHA-1为例来分析其基本原理。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密文，也可以简单的理解为输入一串二进制码，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。
SHA-1算法输入报文的最大长度不超过264位，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。
一般来说SHA-1算法包括有如下的处理过程：
（1）、对输入信息进行处理
既然SHA-1算法是对给定的信息进行处理得到相应的摘要，那么首先需要按算法的要求对信息进行处理。那么如何处理呢？对输入的信息按512位进行分组并进行填充。如何填充信息报文呢？其实即使填充报文后使其按512进行分组后，最后正好余448位。那填充什么内容呢？就是先在报文后面加一个1，再加很多个0，直到长度满足对512取模结果为448。到这里可能有人会奇怪，为什么非得是448呢？这是因为在最后会附加上一个64位的报文长度信息，而448+64正好是512。
（2）、填充长度信息
前面已经说过了，最后会补充信息报文使其按512位分组后余448位，剩下的64位就是用来填写报文的长度信息的。至次可能大家也明白了前面说过的报文长度不能超过264位了。填充长度值时要注意必须是低位字节优先。
（3）信息分组处理
经过添加位数处理的明文，其长度正好为512位的整数倍，然后按512位的长度进行分组，可以得到一定数量的明文分组，我们用Y0，Y1，……YN-1表示这些明文分组。对于每一个明文分组，都要重复反复的处理，这些与MD5都是相同的。
而对于每个512位的明文分组，SHA1将其再分成16份更小的明文分组，称为子明文分组，每个子明文分组为32位，我们且使用M[t]（t= 0, 1,……15）来表示这16个子明文分组。然后需要将这16个子明文分组扩充到80个子明文分组，我们将其记为W[t]（t= 0, 1,……79），扩充的具体方法是：当0≤t≤15时，Wt = Mt；当16≤t≤79时，Wt = ( Wt-3 ⊕ Wt-8⊕ Wt-14⊕ Wt-16) <<< 1，从而得到80个子明文分组。
（4）初始化缓存
所谓初始化缓存就是为链接变量赋初值。前面我们实现MD5算法时，说过由于摘要是128位，以32位为计算单位，所以需要4个链接变量。同样SHA-1采用160位的信息摘要，也以32位为计算长度，就需要5个链接变量。我们记为A、B、C、D、E。其初始赋值分别为：A = 0x67452301、B = 0xEFCDAB89、Ｃ = 0x98BADCFE、Ｄ = 0x10325476、Ｅ = 0xC3D2E1F0。
如果我们对比前面说过的MD5算法就会发现，前４个链接变量的初始值是一样的，因为它们本来就是同源的。
（5）计算信息摘要
经过前面的准备，接下来就是计算信息摘要了。SHA1有4轮运算，每一轮包括20个步骤，一共80步，最终产生160位的信息摘要，这160位的摘要存放在5个32位的链接变量中。
在SHA1的4论运算中，虽然进行的就具体操作函数不同，但逻辑过程却是一致的。首先，定义5个变量，假设为H0、H1、H2、H3、H4，对其分别进行如下操作：
（A）、将A左移5为与函数的结果求和，再与对应的子明文分组、E以及计算常数求和后的结果赋予H0。
（B）、将A的值赋予H1。
（C）、将B左移30位，并赋予H2。
（D）、将C的值赋予H3。
（E）、将D的值赋予H4。
（F）、最后将H0、H1、H2、H3、H4的值分别赋予A、B、C、D
这一过程表示如下：
而在4轮80步的计算中使用到的函数和固定常熟如下表所示：
计算轮次 |
计算的步数 |
计算函数 |
计算常数 |
第一轮 |
0≤t≤19步 |
ft(B,C,D)=(B&C)|(~B&D) |
Kt=0x5A827999 |
第二轮 |
20≤t≤39步 |
ft(B,C,D)=B⊕C⊕D |
Kt=0x6ED9EBA1 |
第三轮 |
40≤t≤59步 |
ft(B,C,D)=(B&C)|(B&D)|(C&D) |
Kt=0x8F188CDC |
第四轮 |
60≤t≤79步 |
ft(B,C,D)=B⊕C⊕D |
Kt=0xCA62C1D6 |
经过4论80步计算后得到的结果，再与各链接变量的初始值求和，就得到了我们最终的信息摘要。而对于有多个铭文分组的，则将前面所得到的结果作为初始值进行下一明文分组的计算，最终计算全部的明文分组就得到了最终的结果。
3、软件实现
经过前面的分析过程，接下来要具体实现SHA1算法其实已经很简单了！下面来一步步实现它，首先实现初始化函数：
/* SHA1Reset函数用于初始化SHA1的内容值 */
/* 参数：context，SHA的内容值，存储计算结果既初始值，输入输出 */
/* 返回值：SHA错误代码 */
ErrorCode SHA1Reset(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;
}
接下来实现明文信息的读取及处理函数，该函数读取信息分组，并输入前次计算的结果，对除最后一组信息外的全部分组进行信息摘要计算。
/* SHA1Input函数，将分组的信息读入并进行摘要计算 */
/* 参数： */
/* context，SHA的内容值，存储计算结果既初始值，输入输出 */
/* message_array，待处理的信息分组的字节数组，输入参数 */
/* length，message_array数组中信息的长度 */
/* 返回值：SHA错误代码 */
ErrorCode SHA1Input(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)
{
/* 消息长度超过限值 */
context->Corrupted = 1;
}
}
if (context->Message_Block_Index == 64)
{
SHA1ProcessMessageBlock(context);
}
message_array++;
}
return shaSuccess;
}
然后实现结果输出函数，该函数对信息的最后部分进行处理并返回160位的信息摘要到Message_Digest数组，该数组作为参数有调用者输入。第一个元素存第一个字节，依次20个字节。
/* SHA1Result函数，对信息的最后部分进行处理并输出最终计算结果 */
/* 参数： */
/* context，SHA的内容值，存储计算结果既初始值，输入输出 */
/* Message_Digest，信息摘要的返回值，输出参数 */
/* 返回值：SHA错误代码 */
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<64; ++i)
{
/* 处理完毕，清除消息分组 */
context->Message_Block[i] = 0;
}
context->Length_Low = 0; /* 清除长度数据 */
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;
}
还需要实现消息分组的处理函数。该函数处理存储于Message_Block数组中的，待处理的512位的明文分组，将其处理为80个子明文分组，并进行4轮80步运算，返回相应的摘要值。
/* SHA1ProcessMessageBlock函数，处理消息分组 */
/* 描述： */
/* 参数： */
/* context，SHA的内容值，存储计算结果既初始值，输入输出 */
/* 返回值：无 */
static void SHA1ProcessMessageBlock(SHA1Context *context)
{
/* SHA-1计算中用到的常数定义 */
const uint32_t K[]={0x5A827999,0x6ED9EBA1,0x8F1BBCDC,0xCA62C1D6};
int t; /* 循环变量 */
uint32_t temp; /* 临时变量，存计算值 */
uint32_t W[80]; /* 子明文分组数组 */
uint32_t A, B, C, D, E; /* 初始值缓存变量 */
/* 初始化子明文分组W的前16个字 */
for(t = 0; t < 16; t++)
{
W[t] = context->Message_Block[t * 4] << 24;
W[t] |= context->Message_Block[t * 4 + 1] << 16;
W[t] |= context->Message_Block[t * 4 + 2] << 8;
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轮20步计算*/
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轮20步计算*/
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轮20步计算*/
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轮20步计算*/
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;
}
还需要实现一个对消息进行补位和追加消息长度并进行处理的函数。根据标准，消息必须被填充到一个剩至512位。第一个填充位必须是'1'。最后64位表示原始消息的长度。中间的所有位都应该是0。该函数将根据这些规则填充消息，并相应地填充Message_Block数组。
/* SHA1PadMessage函数，补全消息，并添加长度，计算最终结果 */
/* 参数： */
/* context，SHA的内容值，存储计算结果既初始值，输入输出 */
/* 返回值：无 */
static void SHA1PadMessage(SHA1Context *context)
{
/* 检查当前的消息分组，如果小于等于55个字节，则直接添加补位和长度信息。否则，如果大于55个字节，我们填充块到512位，并处理它，然后继续填充到第二个块中直道448位，最后填写长度信息。*/
if (context->Message_Block_Index > 55)
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0x80;
while(context->Message_Block_Index < 64)
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0;
}
SHA1ProcessMessageBlock(context);
while(context->Message_Block_Index < 56)
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0;
}
}
else
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0x80;
while(context->Message_Block_Index < 56)
{
context->Message_Block[context->Message_Block_Index++] = 0;
}
}
/* 将明文长度填入到最后8个字节中 */
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散列算法就全部实现完了，需要说明一下的是相应的结构体定义和错误代码的定义如下：
/* 定义SHA-1内容保存结构体 */
typedef struct SHA1Context
{
uint32_t Intermediate_Hash[SHA1HashSize/4]; /* 信息摘要 */
uint32_t Length_Low; /* 按位计算的信息长度低字 */
uint32_t Length_High; /* 按位计算的信息长度高字 */
int_least16_t Message_Block_Index; /* 信息分组数组的索引 */
uint8_t Message_Block[64]; /* 512位信息分组 */
int Computed; /* 摘要计算标识 */
int Corrupted; /* 信息摘要损坏标识 */
} SHA1Context;
typedef enum
{
shaSuccess = 0, /* 处理成功 */
shaNull, /* 指针参数为NUll */
shaInputTooLong, /* 输入消息长度超范围 */
shaStateError /* 在处理完毕后，未经初始化直接调用输入处理 */
}ErrorCode;
4、总结
我们已经实现了SHA1这一散列算法，接下来我们验证一下它的效果如何。首先我们输入信息“abcdef”，计算结果，并使用通用工具验算。
以上2图我们可以看到结果是一致的，接下来我们输入信息：“a1b23c4d5e6f7g8h9i0j”，计算结果如下：
对比上述2图的结果也是一致的。接下来我们分别测试长度448位、长度超过448位、长度超过512位的明文信息，所得的结果也是正确的，说明我们的实现没有问题。
前面我说了SHA-1与MD5是同源的散列算法，那他们究竟有何区别于联系呢？接下来我们简单的比较一下这两种算法：
（1）、因为二者均由MD4导出，SHA-1和MD5彼此很相似。相应的，他们的强度和其他特性也是相似，但还有以下几点不同：
（2）、对强行供给的安全性：最显著和最重要的区别是SHA-1摘要比MD5摘要长32 位。使用强行技术，产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对MD5是2^128数量级的操作，而对SHA-1则是2^160数量级的操作。这样，SHA-1对强行攻击有更大的强度。
（3）、对密码分析的安全性：由于MD5的设计，易受密码分析的攻击，SHA-1显得不易受这样的攻击。
（4）、速度：在相同的硬件上，SHA-1的运行速度比MD5慢。
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