2025-2026-1 20231301 《信息安全设计》第三周学习总结

2025-2026-1 20231301 《信息安全设计》第三周学习总结

目录

• 作业信息
• 学习内容总结
  • 杂凑函数概述
    • 1. 基本概念
    • 2. 核心特性
    • 3. 安全要求
  • 杂凑函数分类
    • 1. 不带密钥杂凑函数
    • 2. 带密钥杂凑函数(HMAC)
  • SM3算法详解
    • 1. 算法结构
    • 2. 算法流程
    • 3. 核心组件
    • 4. 代码实现关键
  • HMAC机制
    • 1. 基本原理
    • 2. 设计目标
    • 3. 算法步骤
  • SHA系列算法
    • 1. 算法比较
    • 2. SHA-256核心流程
  • C语言实现要点
    • 1. 数据类型处理
    • 2. 多文件组织
    • 3. Makefile示例
  • 思维导图
  • 安全建议

作业信息

作业	链接
作业课程	<班级>（2025-2026-1 信息安全设计）
作业要求	<作业>(2025-2026-1 信息安全设计 预习作业要求)
作业目标	《Head First C 嗨翻C语⾔》 第四章 《Windows C/C++ 加密解密实战》> 预习第四章
作业正文	<博客>（第三周学习总结）

学习内容总结

杂凑函数概述

1. 基本概念

杂凑函数（Hash Function），又称哈希函数、消息摘要函数或散列函数，是一种将任意长度的输入消息转换为固定长度输出的单向函数。如图1所示：

2. 核心特性

• 压缩性：任意长度输入→固定长度输出
• 单向性：难以从输出反推输入
• 抗碰撞性：难以找到两个不同输入产生相同输出
• 雪崩效应：输入微小变化导致输出巨大变化

3. 安全要求

输入长度任意
输出长度固定（至少128位）
计算效率高
抗碰撞性

杂凑函数分类

1. 不带密钥杂凑函数

仅用于完整性校验
如MD5、SHA系列、SM3

分类：
弱单向(OWHF)：给定h，难找m使H(m)=h
强单向(CRHF)：难找不同m1,m2使H(m1)=H(m2)

2. 带密钥杂凑函数(HMAC)

提供认证功能
需要共享密钥
可用于消息认证码(MAC)

SM3算法详解

1. 算法结构

SM3采用Merkle-Damgard结构，如图：

2. 算法流程

填充：附加"1"+k个"0"+长度值

示例：消息"abc"填充后：

61626380 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000018

迭代压缩：

分组处理512位数据块
使用压缩函数CF进行迭代

输出：256位哈希值

3. 核心组件

初始值IV：8个32位字
常量Tj：分段定义
布尔函数：FFj和GGj
置换函数：P0和P1

4. 代码实现关键

// 压缩函数核心
for(int j=0; j<=63; ++j) {
    SS1 = SL(SL(A,12) + E + SL(Tj(j),j), 7);
    SS2 = SS1 ^ SL(A,12);
    TT1 = FFj(j,A,B,C) + D + SS2 + W1[j];
    TT2 = GGj(j,E,F,G) + H + SS1 + W[j];
    D = C;
    C = SL(B,9);
    B = A;
    A = TT1;
    H = G;
    G = SL(F,19);
    F = E;
    E = P0(TT2);
}

HMAC机制

1. 基本原理

HMAC = H(K⊕opad || H(K⊕ipad || M))

2. 设计目标

直接使用现有哈希函数
保持原哈希函数性能
简单密钥处理
明确的安全边界

3. 算法步骤

调整密钥K长度
K⊕ipad
附加消息并哈希
K⊕opad
附加中间结果并哈希

SHA系列算法

1. 算法比较

算法	输出长度	分组长度	安全性
SHA-1	160位	512位	已不安全
SHA-256	256位	512位	安全
SHA-512	512位	1024位	安全
SM3	256位	512位	安全

2. SHA-256核心流程

• 预处理：填充+附加长度
• 消息扩展：16字→64字
• 压缩函数：64轮循环 -- 使用Ch、Maj、Σ0、Σ1等逻辑函数
• 最终哈希：拼接中间状态

C语言实现要点

1. 数据类型处理

// 正确处理数据类型转换
float z = (float)x / y;  // 显式类型转换

2. 多文件组织

project/
├── encrypt.h // 函数声明
├── encrypt.c // 函数实现
└── main.c // 主程序

3. Makefile示例

makefileCC = gcc
CFLAGS = -Wall

message_hider: message_hider.o encrypt.o
    $(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^

%.o: %.c
    $(CC) $(CFLAGS) -c $<

思维导图

安全建议

避免使用MD5、SHA-1等已被破解算法
推荐使用SHA-256、SHA-3或SM3
HMAC密钥长度应不小于哈希输出长度
注意抵抗生日攻击（输出长度≥256位）