25. 密码学系列之:NIST和SHA算法

简介

SHA算法大家应该都很熟悉了，它是一个用来计算hash的算法，目前的SHA算法有SHA1，SHA2和SHA3种。这三种算法都是由美国NIST制定的。

NIST的全称是美国国家标准与技术研究所，主要来制定各种标准。

本文将会讲解下NIST和SHA各种算法的关系。

SHA1

在密码学中，SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）是一种加密哈希函数，它接受一个输入，并产生一个160位（20字节）的哈希值，称为信息摘要。

我们先看下SHA1的加密流程图：

上面的A，B，C，D，E都是32bits的state。

F是一个非线性函数。

<<< 表示额是左移操作，红色的加号表示的是加法然后对2³²取模。

SHA1算法很简单，在2005年之后，SHA1被认为是不安全的，截至2010年，许多组织都建议更换SHA-1。

NIST在2011年正式废止了SHA-1的使用，并在2013年不允许将其用于数字签名。

所有主要的网络浏览器厂商在2017年都停止接受SHA-1 SSL证书。

SHA2

SHA-2(Secure Hash Algorithm 2)也是由美国国家安全局(NSA)设计的一组加密哈希函数，于2001年首次公布，它们采用Merkle-Damgård结构。

SHA-2和SHA-1相比，包括了重大的变化。SHA-2系列包含六个哈希函数，分别是SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

我们看下SHA2的算法流程：

我们看下这几个函数表示什么意思：

SHA3

2006年，NIST组织了NIST哈希函数竞赛，以创建一个新的哈希标准SHA-3。SHA-3并不是要取代SHA-2，因为目前还没有证明对SHA-2的重大攻击。但是由于MD5、SHA-0和SHA-1的成功攻击，NIST认为需要一种可替代的、不同的加密哈希，这就是SHA-3。

在这个比赛中，最终Keccak算法胜出，被选为SHA3的标准。

SHA3算法是基于海绵结构的，我们看下海绵结构的工作原理：

这个函数被分成了两部分，左边部分叫做吸收部分，右边部分叫做输出部分，一吸一出，像是海绵一样，所以叫做海绵函数。

P表示的是输入的字符串，Z表示的时候输出字符串。

一个海绵函数由三部分组成，分别是state, 函数f和填充函数pad。

state就是上图的r+c部分，r被称为Bitrate， c被称为Capacity。

P被分成n份，每一份都会跟Bitrate进行异或操作，如果P的长度不是Bitrate的整数倍，那么需要使用Pad函数进行填充。

每一轮，Bitrate跟P进行异或操作的结果作为最新的Bitrate, 然后生成新的state，然后这个state又被f(state)来替换。

其中函数 f 是 从n个{0,1} 到n个{0,1}的映射。

就这样一轮一轮进行下去，直到所有的P都参与了运算。

输出部分是将最终生成的state进行f运算，每次运算都取Bitrate部分作为输出，从而得到最终的输出。

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