SHA-256算法实现

来源：互联网发布：手感好的键盘知乎编辑：程序博客网时间：2024/06/11 12:22

SHA-256 算法输入报文的最大长度不超过2^64 bit，输入按512-bit 分组进行处理，产生

的输出是一个256-bit 的报文摘要。该算法处理包括以下几步：

STEP1：附加填充比特。对报文进行填充使报文长度与448 模512 同余（长度=448 mod 512），
填充的比特数范围是1 到512，填充比特串的最高位为1，其余位为0。
就是先在报文后面加一个 1，再加很多个0，直到长度满足 mod 512=448.
为什么是448，因为448+64=512. 第二步会加上一个 64bit的原始报文的长度信息。

STEP2：附加长度值。将用64-bit 表示的初始报文（填充前）的位长度附加在步骤1 的结果
后（低位字节优先）。

STEP3：初始化缓存。使用一个256-bit 的缓存来存放该散列函数的中间及最终结果。
该缓存表示为A=0x6A09E667 , B=0xBB67AE85 , C=0x3C6EF372 , D=0xA54FF53A,
E=0x510E527F , F=0x9B05688C , G=0x1F83D9AB , H=0x5BE0CD19 。

STEP4：处理512-bit（16 个字）报文分组序列。该算法使用了六种基本逻辑函数，由64
步迭代运算组成。每步都以256-bit 缓存值ABCDEFGH 为输入，然后更新缓存内容。
每步使用一个32-bit 常数值Kt 和一个32-bit Wt。

常数K为

六种基本函数如下：

就像上图一样，参与运算的都是 32 bit的数，Wt 是分组之后的报文，512 bit=32bit*16. 也就是 Wt t=1,2..16 由该组报文产生。
Wt t=17,18,..,64 由前面的Wt按递推公式计算出来。Wt递推公式为：

Kt t=1,2..64 是已知的常数。

上面的计算就是不断更新 a,b,c…h这 32bit*8 。在每个512bit的分组里面迭代计算64次。

STEP5：所有的512-bit分组处理完毕后，对于SHA-256算法最后一个分组产生的输出便是256-bit的报文摘要。

实现代码

SHA256.h

#ifndef _SHA_256_H#define _SHA_256_H#include<iostream>using namespace std;typedef unsigned int UInt32;//六个逻辑函数#define Conditional(x,y,z) ((x&y)^((~x)&z))#define Majority(x,y,z) ((x&y)^(x&z)^(y&z))#define LSigma_0(x) (ROTL(x,30)^ROTL(x,19)^ROTL(x,10))#define LSigma_1(x) (ROTL(x,26)^ROTL(x,21)^ROTL(x,7))#define SSigma_0(x) (ROTL(x,25)^ROTL(x,14)^SHR(x,3))#define SSigma_1(x) (ROTL(x,15)^ROTL(x,13)^SHR(x,10))//信息摘要结构struct Message_Digest{    UInt32 H[8];};//SHA256类class SHA256{public:    SHA256(){INIT();};    ~SHA256(){};    Message_Digest DEAL(UInt32 W[16]);//处理512比特数据，返回信息摘要private:    void INIT();                //初始杂凑值    UInt32 ROTR(UInt32 W,int n);//右旋转    UInt32 ROTL(UInt32 W,int n);//左旋转    UInt32 SHR(UInt32 W,int n); //右移位private:    //信息摘要    Message_Digest MD;};#endif

SHA256.cpp

#include"SHA-256.h"//64个32比特字的常数（前64个素数的立方根小数前32位）const UInt32 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,};//初始化杂凑值（前8个素数的平方根小数前32位）void SHA256::INIT(){    MD.H[0] = 0x6a09e667;    MD.H[1] = 0xbb67ae85;    MD.H[2] = 0x3c6ef372;    MD.H[3] = 0xa54ff53a;        MD.H[4] = 0x510e527f;    MD.H[5] = 0x9b05688c;    MD.H[6] = 0x1f83d9ab;    MD.H[7] = 0x5be0cd19;}//处理512比特数据，返回信息摘要Message_Digest SHA256::DEAL(UInt32 M[16]){    int i;    UInt32 T1=0,T2=0;    UInt32 W[64]={0};    UInt32 A=0,B=0,C=0,D=0,E=0,F=0,G=0,H=0;    for(i=0;i<16;i++){        W[i] = M[i];    }    for(i=16;i<64;i++){        W[i] = SSigma_1(W[i-2])+W[i-7]+SSigma_0(W[i-15])+W[i-16];    }    A = MD.H[0];    B = MD.H[1];    C = MD.H[2];    D = MD.H[3];    E = MD.H[4];    F = MD.H[5];    G = MD.H[6];    H = MD.H[7];    cout<<"初始:";    cout<<hex<<A<<" "<<B<<" "<<C<<" "<<D<<" "<<E<<" "<<F<<" "<<G<<" "<<H<<endl;    for(i=0;i<64;i++){        T1 = H + LSigma_1(E) + Conditional(E, F, G) + K[i] + W[i];        T2 = LSigma_0(A) + Majority(A, B, C);        H = G;        G = F;        F = E;        E = D + T1;        D = C;        C = B;        B = A;        A = T1 + T2;        cout<<dec<<i<<":";        cout<<hex<<A<<" "<<B<<" "<<C<<" "<<D<<" "<<E<<" "<<F<<" "<<G<<" "<<H<<endl;    }    MD.H[0]=(MD.H[0]+A) & 0xFFFFFFFF;    MD.H[1]=(MD.H[1]+B) & 0xFFFFFFFF;    MD.H[2]=(MD.H[2]+C) & 0xFFFFFFFF;    MD.H[3]=(MD.H[3]+D) & 0xFFFFFFFF;    MD.H[4]=(MD.H[4]+E) & 0xFFFFFFFF;    MD.H[5]=(MD.H[5]+F) & 0xFFFFFFFF;    MD.H[6]=(MD.H[6]+G) & 0xFFFFFFFF;    MD.H[7]=(MD.H[7]+H) & 0xFFFFFFFF;    return MD;}//右旋转UInt32 SHA256::ROTR(UInt32 W,int n){    return ((W >> n) & 0xFFFFFFFF) | (W) << (32-(n));}//左旋转UInt32 SHA256::ROTL(UInt32 W,int n){    return ((W << n) & 0xFFFFFFFF) | (W) >> (32-(n));}//右移位UInt32 SHA256::SHR(UInt32 W,int n){    return ((W >> n) & 0xFFFFFFFF);}

TEST.CPP

#include<iostream>#include"SHA-256.h"using namespace std;typedef unsigned int UInt32;typedef unsigned __int64 UInt64;typedef unsigned char UChar;#define Max 1000//最大字符数SHA256 sha256=SHA256();Message_Digest M_D;UInt32 W[Max/4];//整型UInt32 M[16];   //存分组信息//压缩+显示void compress(){    int i;    M_D = sha256.DEAL(M);    cout<<"哈希值： ";    for(i=0;i<8;i++){        cout<<hex<<M_D.H[i]<<" ";    }    cout<<endl;}//添加填充位+添加长度void PAD(UChar Y[Max]){    //x+1+d+l=|x|    UInt32 i,j;    UInt32 T1=0,T2=0,T3=0,T4=0;    UChar temp[Max]={0};    UInt64 x = strlen((char *)Y);//数据长度    UInt32 d = abs(55-x) % 64;   //填充长度    UInt32 n = (x+8)/64+1; //分组数    UInt32 m = x%64;       //最后组数据长度    UInt32 l = 8;          cout<<"数据长度x:"<<int(x)<<" ";    cout<<"填充长度d:"<<d<<" ";    cout<<"分组数量n:"<<n<<" ";    cout<<"最后长度m:"<<m<<endl;    //不填充    for(i=0;i<x;i++){        temp[i] = Y[i];    }    //填充1次1000 0000        temp[x] = 0x80;    //填充d次0000 0000    for(i=x+1;i<x+d+1;i++){        temp[i] = 0x00;    }    //填充长度的63-0位    for(i=1;i<=l;i++){        temp[(n*64)-i] = (UChar)(8*x>>(i-1)*8);    }    //无符号字符转换为无符号整型    for(i=0;i<Max/4;i++){        for(j=0;j<4;j++){            if(j==0)                T1 = temp[4*i+j];            if(j==1)                T2 = temp[4*i+j];            if(j==2)                T3 = temp[4*i+j];            if(j==3)                T4 = temp[4*i+j];        }        W[i] = (T1<<24) + (T2<<16) + (T3<<8) +T4;    }    //显示16进制数据    cout<<"16进制数据：";    for(i=0;i<n*16;i++){        cout<<hex<<" "<<W[i];    }    cout<<endl;    //分组处理    for(i=0;i<n;i++){        cout<<"分组处理:"<<i+1<<endl;        for(j=0;j<16;j++){            M[j] = W[(i*16)+j];        }        compress();//sha-256压缩    }}//主函数int main(){    UChar Y[Max];    cout<<"请输入要加密的字符串（最大"<<Max<<"个）："<<endl;    cin>>Y;    PAD(Y);    system("pause");    return 0;}

参考：

http://www.iwar.org.uk/comsec/resources/cipher/sha256-384-512.pdf

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