嵌入式算法17---SHA256哈希算法
[導(dǎo)讀]單向散列算法，又稱hash哈希函數(shù)，Hash函數(shù)（也稱雜湊算法）就是把任意長的輸入消息串變化成固定長的輸出串的一種函數(shù)，該過程是不可逆的。Hash函數(shù)可用于數(shù)字簽名、消息的完整性檢測、消息起源的認(rèn)證檢測等。較為常用的方法包括MD算法和SHA算法。
1、單向散列算法
單向散列算法，又稱hash哈希函數(shù)，Hash函數(shù)（也稱雜湊算法）就是把任意長的輸入消息串變化成固定長的輸出串的一種函數(shù)，該過程是不可逆的。Hash函數(shù)可用于數(shù)字簽名、消息的完整性檢測、消息起源的認(rèn)證檢測等。較為常用的方法包括MD算法和SHA算法。
1.1 MD（Message Digest）消息摘要算法
MD系列算法分為MD2、MD4、MD5三種算法，最常用的是MD5版本算法，用來把不同長度的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行暗碼運(yùn)算成一個128位的散列值（hash value），用于確保信息傳輸完整一致。
應(yīng)用場景：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，MD5一般用于校驗(yàn)文件的完整性，如通過網(wǎng)絡(luò)下載的文件，可能缺少部分或者被篡改，通過計算實(shí)際接收文件的MD5碼，與原始MD5比較，判斷文件是否正確。在密碼存儲方面，將用戶輸入的明文密碼轉(zhuǎn)成MD5碼保存，后期應(yīng)用只匹配比較MD5碼，這樣即使后臺管理員也無法查看到真實(shí)密碼。
具體算法可以參考 嵌入式算法9---MD5的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)。
1.2 SHA（Secure Hash Algorithm）安全散列算法
SHA是一個密碼散列函數(shù)家族，SHA算法主要分為SHA-1、SHA-2、SHA-3 三大類，一般使用SHA-2算法，主要有SHA-256、SHA-512、SHA-224、SHA-384四種，對于嵌入式一般選擇SHA256，將任意長度的輸入壓縮成256位，且哈希碰撞的概率近乎為0。
應(yīng)用場景：數(shù)字簽名、數(shù)字時間戳、數(shù)字證書。
1.3 MAC（Message Authentication Code）消息認(rèn)證碼
對稱加密算法是為了保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，hash算法是為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，而MAC算法既可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，又可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否被篡改。似乎嵌入式開發(fā)中少見。
2、SHA256
一般嵌入式系統(tǒng)簽名或者校驗(yàn)復(fù)雜版使用SHA256，也就是長度小于2^64字節(jié)的任意數(shù)據(jù)，經(jīng)過哈希運(yùn)算得到256比特的消息摘要。
2.1 源碼
SHA256源碼如下：
#include "stdlib.h" //sha256.h #define SHA256_BLOCK_SIZE 32 //SHA 256bits = 32Bytes typedef unsigned char uint8_t; typedef unsigned int uint32_t; typedef struct { uint8_t data[64]; uint32_t datalen; unsigned long long bitlen; uint32_t state[8]; } sha256_ctx_t; //api extern void sha256_init(sha256_ctx_t *ctx); extern void sha256_update(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t data[], uint32_t len); extern void sha256_final(sha256_ctx_t *ctx, uint8_t hash[]); //sha256.c /****************************** MACROS ******************************/ #define ROTLEFT(a,b) (((a) << (b)) | ((a) >> (32-(b)))) #define ROTRIGHT(a,b) (((a) >> (b)) | ((a) << (32-(b)))) #define CH(x,y,z) (((x) & (y)) ^ (~(x) & (z))) #define MAJ(x,y,z) (((x) & (y)) ^ ((x) & (z)) ^ ((y) & (z))) #define EP0(x) (ROTRIGHT(x,2) ^ ROTRIGHT(x,13) ^ ROTRIGHT(x,22)) #define EP1(x) (ROTRIGHT(x,6) ^ ROTRIGHT(x,11) ^ ROTRIGHT(x,25)) #define SIG0(x) (ROTRIGHT(x,7) ^ ROTRIGHT(x,18) ^ ((x) >> 3)) #define SIG1(x) (ROTRIGHT(x,17) ^ ROTRIGHT(x,19) ^ ((x) >> 10)) /**************************** VARIABLES *****************************/ static const uint32_t k[64] = { 0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5, 0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5, 0xd807aa98, 0x12835b01, 0x243185be, 0x550c7dc3, 0x72be5d74, 0x80deb1fe, 0x9bdc06a7, 0xc19bf174, 0xe49b69c1, 0xefbe4786, 0x0fc19dc6, 0x240ca1cc, 0x2de92c6f, 0x4a7484aa, 0x5cb0a9dc, 0x76f988da, 0x983e5152, 0xa831c66d, 0xb00327c8, 0xbf597fc7, 0xc6e00bf3, 0xd5a79147, 0x06ca6351, 0x14292967, 0x27b70a85, 0x2e1b2138, 0x4d2c6dfc, 0x53380d13, 0x650a7354, 0x766a0abb, 0x81c2c92e, 0x92722c85, 0xa2bfe8a1, 0xa81a664b, 0xc24b8b70, 0xc76c51a3, 0xd192e819, 0xd6990624, 0xf40e3585, 0x106aa070, 0x19a4c116, 0x1e376c08, 0x2748774c, 0x34b0bcb5, 0x391c0cb3, 0x4ed8aa4a, 0x5b9cca4f, 0x682e6ff3, 0x748f82ee, 0x78a5636f, 0x84c87814, 0x8cc70208, 0x90befffa, 0xa4506ceb, 0xbef9a3f7, 0xc67178f2 }; static void sha256_transform(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t data[]) { uint32_t a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, t1, t2, m[64]; for(i = 0, j = 0; i < 16; ++i, j += 4) { m[i] = (data[j] << 24) | (data[j + 1] << 16) | (data[j + 2] << 8) | (data[j + 3]); } for(; i < 64; ++i) { m[i] = SIG1(m[i - 2]) + m[i - 7] + SIG0(m[i - 15]) + m[i - 16]; } a = ctx->state[0]; b = ctx->state[1]; c = ctx->state[2]; d = ctx->state[3]; e = ctx->state[4]; f = ctx->state[5]; g = ctx->state[6]; h = ctx->state[7]; for(i = 0; i < 64; ++i) { t1 = h + EP1(e) + CH(e, f, g) + k[i] + m[i]; t2 = EP0(a) + MAJ(a, b, c); h = g; g = f; f = e; e = d + t1; d = c; c = b; b = a; a = t1 + t2; } ctx->state[0] += a; ctx->state[1] += b; ctx->state[2] += c; ctx->state[3] += d; ctx->state[4] += e; ctx->state[5] += f; ctx->state[6] += g; ctx->state[7] += h; } void sha256_init(sha256_ctx_t *ctx) { ctx->datalen = 0; ctx->bitlen = 0; ctx->state[0] = 0x6a09e667; ctx->state[1] = 0xbb67ae85; ctx->state[2] = 0x3c6ef372; ctx->state[3] = 0xa54ff53a; ctx->state[4] = 0x510e527f; ctx->state[5] = 0x9b05688c; ctx->state[6] = 0x1f83d9ab; ctx->state[7] = 0x5be0cd19; } void sha256_update(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t data[], uint32_t len) { uint32_t i; for(i = 0; i < len; ++i) { ctx->data[ctx->datalen] = data[i]; ctx->datalen++; if(ctx->datalen == 64) { sha256_transform(ctx, ctx->data); ctx->bitlen += 512; ctx->datalen = 0; } } } void sha256_final(sha256_ctx_t *ctx, uint8_t hash[]) { uint32_t i; i = ctx->datalen; // Pad whatever data is left in the buffer. if(ctx->datalen < 56) { ctx->data[i++] = 0x80; while(i < 56) { ctx->data[i++] = 0x00; } } else { ctx->data[i++] = 0x80; while(i < 64) { ctx->data[i++] = 0x00; } sha256_transform(ctx, ctx->data); memset(ctx->data, 0, 56); } // Append to the padding the total message's length in bits and transform. ctx->bitlen += ctx->datalen * 8; ctx->data[63] = ctx->bitlen; ctx->data[62] = ctx->bitlen >> 8; ctx->data[61] = ctx->bitlen >> 16; ctx->data[60] = ctx->bitlen >> 24; ctx->data[59] = ctx->bitlen >> 32; ctx->data[58] = ctx->bitlen >> 40; ctx->data[57] = ctx->bitlen >> 48; ctx->data[56] = ctx->bitlen >> 56; sha256_transform(ctx, ctx->data); // Since this implementation uses little endian byte ordering and SHA uses big endian, // reverse all the bytes when copying the final state to the output hash. for(i = 0; i < 4; ++i) { hash[i] = (ctx->state[0] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; hash[i + 4] = (ctx->state[1] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; hash[i + 8] = (ctx->state[2] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; hash[i + 12] = (ctx->state[3] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; hash[i + 16] = (ctx->state[4] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; hash[i + 20] = (ctx->state[5] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; hash[i + 24] = (ctx->state[6] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; hash[i + 28] = (ctx->state[7] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff; } } /***********************************************************************/ //test void log(char *head, uint8_t *data, uint8_t len) { uint8_t i; printf("%s:", head); for(i = 0; i < len; i++) { printf("%02X ", data[i]); } printf("\r\n"); } int main(int argc, char *argv[]) { uint8_t buff1[] = {"embedded-system"}; uint8_t buff2[] = {0x00, 0x65, 0x00, 0x6D, 0x00, 0x62, 0x00, 0x65, 0x00, 0x64, 0x00, 0x64, 0x00, 0x65, \ 0x00, 0x64, 0x00, 0x2D, 0x00, 0x73, 0x00, 0x79, 0x00, 0x73, 0x00, 0x74, 0x00, 0x65, 0x00, 0x6D }; uint8_t sha256_result[32] = {0}; sha256_ctx_t sha; sha256_init(&sha); sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1)); sha256_final(&sha, sha256_result); log("buff1 sha256", sha256_result, 32); sha256_init(&sha); sha256_update(&sha, buff2, sizeof(buff2)); sha256_final(&sha, sha256_result); log("buff2 sha256", sha256_result, 32); sha256_init(&sha); sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1)); sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1)); sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1)); sha256_final(&sha, sha256_result); log("buff1*3 sha256", sha256_result, 32); return 0; }
2.2 應(yīng)用
對嵌入式系統(tǒng)，在RAM空間有限的情況下，對較長的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，SHA256是可以分段多次傳入數(shù)據(jù)的。如上使用范例第3段所示。一般用于校驗(yàn)密鑰或文件是否傳輸錯誤或被篡改。
3、 SHA256與MD5比較
一般嵌入式系統(tǒng)使用的單向散列函數(shù)是MD5和SHA256。兩者都是實(shí)現(xiàn)對任意長度輸入，經(jīng)運(yùn)算輸出固定長度的摘要數(shù)據(jù)。
無限多可能的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了數(shù)量有限的輸出值，理論上是會出現(xiàn)兩個不同的輸入值運(yùn)算結(jié)果相同，這種情況稱為碰撞，即不同的消息產(chǎn)生同一個散列值的情況。
MD5是輸出128比特的散列值，而SHA256是256比特；可見SHA256的安全性略高，但其運(yùn)算耗時也多。
具體應(yīng)用選擇哪種并沒太嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。
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