SHA1算法原理

一.SHA1与MD5差异

SHA1对任意长度明文的预处理和MD5的过程是一样的,即预处理完后的明文长度是512位的整数倍,但是有一点不同,那就是SHA1的原始报文长度不能超过2的64次方,然后SHA1生成160位的报文摘要。SHA1算法简单而且紧凑,容易在计算机上实现。

表8-2-1列出了对MD5及SHA1的比较差异之处。让我们根据各项特性,简要说明其间的不同。

表8-2-1  MD5与SHA1的比较

差异处

MD5

SHA1

摘要长度

128位

160位

运算步骤数

64

80

基本逻辑函数数目

4

4

常数数目

64

4

●  安全性:SHA1所产生的摘要比MD5长32位。若两种散列函数在结构上没有任何问题的话,SHA1比MD5更安全。

●  速度:两种方法都是主要考虑以32位处理器为基础的系统结构。但SHA1的运算步骤比MD5多了16步,而且SHA1记录单元的长度比MD5多了32位。因此若是以硬件来实现SHA1,其速度大约比MD5慢了25%。

●  简易性:两种方法都是相当的简单,在实现上不需要很复杂的程序或是大量存储空间。然而总体上来讲,SHA1对每一步骤的操作描述比MD5简单。

二.SHA1哈希算法流程

对于任意长度的明文,SHA1首先对其进行分组,使得每一组的长度为512位,然后对这些明文分组反复重复处理。

对于每个明文分组的摘要生成过程如下:

(1) 将512位的明文分组划分为16个子明文分组,每个子明文分组为32位。

(2) 申请5个32位的链接变量,记为A、B、C、D、E。

(3) 16份子明文分组扩展为80份。

(4) 80份子明文分组进行4轮运算。

(5) 链接变量与初始链接变量进行求和运算。

(6) 链接变量作为下一个明文分组的输入重复进行以上操作。

(7) 最后,5个链接变量里面的数据就是SHA1摘要。

三.SHA1的分组过程

对于任意长度的明文,SHA1的明文分组过程与MD5相类似,首先需要对明文添加位数,使明文总长度为448(mod512)位。在明文后添加位的方法是第一个添加位是l,其余都是0。然后将真正明文的长度(没有添加位以前的明文长度)以64位表示,附加于前面已添加过位的明文后,此时的明文长度正好是512位的倍数。与MD5不同的是SHA1的原始报文长度不能超过2的64次方,另外SHA1的明文长度从低位开始填充。

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(block),可以划分成L份明文分组,我们用Y0,Y1,……YL-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是相同的。

对于512位的明文分组,SHA1将其再分成16份子明文分组(sub-block),每份子明文分组为32位,我们使用M[k](k= 0, 1,……15)来表示这16份子明文分组。之后还要将这16份子明文分组扩充到80份子明文分组,我们记为W[k](k= 0, 1,……79),扩充的方法如下。

W t = M t , 当0≤t≤15

W t = ( W t-3 ⊕ W t-8⊕ W t-14⊕ W t-16 ) <<< 1, 当16≤t≤79

SHA1有4轮运算,每一轮包括20个步骤(一共80步),最后产生160位摘要,这160位摘要存放在5个32位的链接变量中,分别标记为A、B、C、D、E。这5个链接变量的初始值以16进制位表示如下。

A=0x67452301

B=0xEFCDAB89

C=0x98BADCFE

D=0x10325476

E=0xC3D2E1F0

四.SHA1的4轮运算

SHA1有4轮运算,每一轮包括20个步骤,一共80步,当第1轮运算中的第1步骤开始处理时,A、B、C、D、E五个链接变量中的值先赋值到另外5个记录单元A′,B′,C′,D′,E′中。这5个值将保留,用于在第4轮的最后一个步骤完成之后与链接变量A,B,C,D,E进行求和操作。

SHA1的4轮运算,共80个步骤使用同一个操作程序,如下:

A,B,C,D,E←[(A<<<5)+ ft(B,C,D)+E+Wt+Kt],A,(B<<<30),C,D

其中 ft(B,C,D)为逻辑函数,Wt为子明文分组W[t],Kt为固定常数。这个操作程序的意义为:

●  将[(A<<<5)+ ft(B,C,D)+E+Wt+Kt]的结果赋值给链接变量A;

●  将链接变量A初始值赋值给链接变量B;

●  将链接变量B初始值循环左移30位赋值给链接变量C;

●  将链接变量C初始值赋值给链接变量D;

●  将链接变量D初始值赋值给链接变量E。

SHA1规定4轮运算的逻辑函数如表8-2-2所示。

表8-2-2  SHA1的逻辑函数

步骤

函数定义

步骤

函数定义

1

0≤t≤19

ft(B,C,D)=(B·C)V(~B·D)

3

40≤t≤59

ft(B,C,D)=(B·C)V(B·D)V(C·D)

2

20≤t≤39

ft(B,C,D)=B⊕C⊕D

4

60≤t≤79

ft(B,C,D)=B⊕C⊕D

在操作程序中需要使用固定常数Ki(i= 0,1,2,……79),Ki的取值如表8-2-3所示:

表8-2-3  SHA1的常数K取值表

步骤

函数定义

步骤

函数定义

1

0≤t≤19

Kt=5A827999

3

40≤t≤59

Kt=8F188CDC

2

20≤t≤39

Kt=6ED9EBA1

4

60≤t≤79

Kt=CA62C1D6

我们同样举一个例子来说明SHA1哈希算法中的每一步是怎样进行的,比起MD5算法,SHA1相对简单,假设W[1]=0x12345678,此时链接变量的值分别为A=0x67452301、B=0xEFCDAB89、C=0x98BADCFE、D=0x10325476、E=0xC3D2E1F0,那么第1轮第1步的运算过程如下。

(1) 将链接变量A循环左移5位,得到的结果为:0xE8A4602C。

(2) 将B,C,D经过相应的逻辑函数:

(B&C)|(~B&D)=(0xEFCDAB89&0x98BADCFE)|(~0xEFCDAB89&0x10325476)=0x98BADCFE

(3) 将第(1)步,第(2)步的结果与E,W[1],和K[1]相加得:

0xE8A4602C+0x98BADCFE+0xC3D2E1F0+0x12345678+0x5A827999=0xB1E8EF2B

(4) 将B循环左移30位得:(B<<<30)=0x7BF36AE2。

(5) 将第3步结果赋值给A,A(这里是指A的原始值)赋值给B,步骤4的结果赋值给C,C的原始值赋值给D,D的原始值赋值给E。

(6) 最后得到第1轮第1步的结果:

A = 0xB1E8EF2B

B = 0x67452301

C = 0x7BF36AE2

D = 0x98BADCFE

E = 0x10325476

按照这种方法,将80个步骤进行完毕。

第四轮最后一个步骤的A,B,C,D,E输出,将分别与记录单元A′,B′,C′,D′,E′中的数值求和运算。其结果将作为输入成为下一个512位明文分组的链接变量A,B,C,D,E,当最后一个明文分组计算完成以后,A,B,C,D,E中的数据就是最后散列函数值。

posted on 2017-05-19 15:55 chenjx_ucs 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

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