SHA1算法详解
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2022-01-15 21:42
SHA1算法详解
SHA1算法作为摘要算法的一种，被使用于各种签名、摘要等场景，本章我们详细分析下SHA1算法细节；
术语定义
word：32bit的String，可以表示为8个16进制的序列，例如A103FE23；
integer：表示
0-2^32-1之间的数字；block：表示512bit的String，一个block可以表示为16个word的序列（数组）；
消息填充规则
对于待摘要的消息M，先填充一个 bit 1，然后填充N个 bit 0，最后填充 64bit 的消息M的长度信息（单位bit），最终需要满足以下条件：
(消息M的长度 + 1 + N + 64) % 512 = 0; PS：消息M的长度单位是bit；
函数定义：
f(t;B,C,D) = (B AND C) OR ((NOT B) AND D) ( 0 <= t <= 19)
f(t;B,C,D) = B XOR C XOR D (20 <= t <= 39)
f(t;B,C,D) = (B AND C) OR (B AND D) OR (C AND D) (40 <= t <= 59)
f(t;B,C,D) = B XOR C XOR D (60 <= t <= 79).
K(t) = 5A827999 ( 0 <= t <= 19)
K(t) = 6ED9EBA1 (20 <= t <= 39)
K(t) = 8F1BBCDC (40 <= t <= 59)
K(t) = CA62C1D6 (60 <= t <= 79).
S^n(X) = (X << n) OR (X >> 32-n)
摘要算法
PS：摘要算法有两种，一种使用内存多一点儿，算法比较简单（相当于以空间换时间），一种使用内存少一点，算法比较复杂（相当于以时间换空间），这里我们使用第一种算法，也就是使用内存多一点儿，但是算法简单的；
1、声明四个buffer：
两个长度为5的buffer，单位为word，其中一个buffer中的数据打标为
A、B、C、D、E，另外一个buffer中的数据打标为H0、H1、H2、H3、H4；一个长度为80的buffer，单位word，其中数据打标为
W(0)、W(1)、W(2)...W(79)；一个长度为1的buffer，单位word，打标为
TEMP；
2、将打标为H的buffer填充为以下值：
H0: 0x67452301
H1: 0xEFCDAB89
H2: 0x98BADCFE
H3: 0x10325476
H4: 0xC3D2E1F0
3、将带摘要的消息按照上文提到的填充规则填充；
4、将填充好后的数据按照512bit分组为M0、M1、M2...Mn来循环处理，直至所有分组处理完成，其中Mi的处理规则如下：
将
Mi中的数据从左到右拆分放入W(0)、W(1)...W(15)中；PS：注意，Mi中的数据总共512bit，正好拆分为16个word放入W(0)-W(15)中；循环处理（t从16循环到79）：W(t) = S^1(W(t-3) XOR W(t-8) XOR W(t-14) XOR W(t-16))；
使A = H0, B = H1, C = H2, D = H3, E = H4；
循环处理（t从0循环到79）：TEMP = S^5(A) + f(t;B,C,D) + E + W(t) + K(t);E = D; D = C; C = S^30(B); B = A; A = TEMP;
最后更新
Hbuffer中的值：H0 = H0 + A, H1 = H1 + B, H2 = H2 + C, H3 = H3 + D, H4 = H4 + E；
当Mn处理完成后H0 H1 H2 H3 H4就是我们需要的消息摘要；
参考文档：
SHA1规范：RFC3174
参考Java实现：
import java.util.Arrays;
/**
* RFC3174规范的参考实现
*
* @author JoeKerouac
* @since 1.0.0
*/
public class SHA1 {
/**
* block大小，单位byte
*/
private static final int BLOCK_SIZE = 64;
private final int[] H = new int[5];
private final int[] W = new int[80];
/**
* 计算摘要信息
*
* @param data
* 要计算摘要信息的数据
* @return 计算结果
*/
public byte[] digest(byte[] data) {
reset();
byte[] padding = padding(data);
int blockCount = padding.length / BLOCK_SIZE;
for (int i = 0; i < blockCount; i++) {
process(padding, i * BLOCK_SIZE);
}
byte[] result = new byte[20];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
writeInt(H[i], result, i * 4);
}
return result;
}
/**
* 重置H状态值
*/
private void reset() {
H[0] = 0x67452301;
H[1] = 0xEFCDAB89;
H[2] = 0x98BADCFE;
H[3] = 0x10325476;
H[4] = 0xC3D2E1F0;
}
/**
* 填充
*
* @param data
* 要填充的数据
* @return 填充结果
*/
private byte[] padding(byte[] data) {
// 计算总共需要填充的长度
int paddingSize = BLOCK_SIZE - (data.length % BLOCK_SIZE);
paddingSize = paddingSize < 9 ? paddingSize + BLOCK_SIZE : paddingSize;
// 开始生成填充后的数据
byte[] padding = new byte[data.length + paddingSize];
System.arraycopy(data, 0, padding, 0, data.length);
// 先填充一个bit1和7个bit0，正好对应有符号byte值的-128
padding[data.length] = -128;
// 填充0
for (int i = data.length + 1; i < padding.length - 8; i++) {
padding[i] = 0;
}
// 填充原消息的长度
writeLong(data.length * 8L, padding, padding.length - 8);
return padding;
}
/**
* 将long值写入byte数组
*
* @param value
* long值
* @param data
* 数组
* @param offset
* 写入起始位置
*/
private void writeLong(long value, byte[] data, int offset) {
for (int i = 0; i < 8; i++) {
data[offset + i] = (byte)(value >>> ((7 - i) * 8) & 0xff);
}
}
/**
* 将int值写入byte数组
*
* @param value
* int值
* @param data
* 要写入的数组
* @param offset
* 写入起始位置
*/
private void writeInt(int value, byte[] data, int offset) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
data[offset + i] = (byte)(value >>> ((3 - i) * 8) & 0xff);
}
}
/**
* 从起始位置开始往后将原始数据中的4个byte合并为一个int
*
* @param data
* 原始数据
* @param offset
* 起始位置
* @return int
*/
private int mergeToInt(byte[] data, int offset) {
return Byte.toUnsignedInt(data[offset]) << 24 | Byte.toUnsignedInt(data[1 + offset]) << 16
| Byte.toUnsignedInt(data[2 + offset]) << 8 | Byte.toUnsignedInt(data[3 + offset]);
}
/**
* 处理数据指定起始位置开始的一个block
*
* @param data
* 待处理的数据
* @param offset
* 起始位置
*/
private void process(byte[] data, int offset) {
for (int j = 0; j < 16; j++) {
W[j] = mergeToInt(data, offset + j * 4);
}
for (int t = 16; t < 80; t++) {
// W(t-3) XOR W(t-8) XOR W(t-14) XOR W(t-16)
int value = W[t - 3] ^ W[t - 8] ^ W[t - 14] ^ W[t - 16];
W[t] = value << 1 | value >>> 31;
}
int temp;
int A = H[0];
int B = H[1];
int C = H[2];
int D = H[3];
int E = H[4];
for (int t = 0; t < 80; t++) {
// TEMP = S^5(A) + f(t;B,C,D) + E + W(t) + K(t);
temp = (A << 5 | A >>> 27) + f(t, B, C, D) + E + W[t] + k(t);
E = D;
D = C;
C = B << 30 | B >>> 2;
B = A;
A = temp;
}
H[0] += A;
H[1] += B;
H[2] += C;
H[3] += D;
H[4] += E;
}
/**
* 对应RFC3174规范中的函数K
*
* @param t
* t
* @return 结果
*/
private int k(int t) {
// K(t) = 5A827999 ( 0 <= t <= 19)
// K(t) = 6ED9EBA1 (20 <= t <= 39)
// K(t) = 8F1BBCDC (40 <= t <= 59)
// K(t) = CA62C1D6 (60 <= t <= 79).
if (t >= 0 && t <= 19) {
return 0x5A827999;
} else if (t <= 39) {
return 0x6ED9EBA1;
} else if (t <= 59) {
return 0x8F1BBCDC;
} else {
return 0xCA62C1D6;
}
}
/**
* 对应RFC3174规范中的函数f
*
* @param t
* t
* @param B
* B
* @param C
* C
* @param D
* D
* @return 结果
*/
private int f(int t, int B, int C, int D) {
// f(t;B,C,D) = (B AND C) OR ((NOT B) AND D) ( 0 <= t <= 19)
// f(t;B,C,D) = B XOR C XOR D (20 <= t <= 39)
// f(t;B,C,D) = (B AND C) OR (B AND D) OR (C AND D) (40 <= t <= 59)
// f(t;B,C,D) = B XOR C XOR D (60 <= t <= 79).
if (t >= 0 && t <= 19) {
return (B & C) | (~B & D);
} else if (t <= 39) {
return B ^ C ^ D;
} else if (t <= 59) {
return B & C | B & D | C & D;
} else {
return B ^ C ^ D;
}
}
public static void main(String[] args) {
// 假设这就是我们的数据，实际使用中将data替换为实际的数据即可
byte[] data = new byte[63];
SHA1 sha1 = new SHA1();
// 计算消息摘要
byte[] digest = sha1.digest(data);
System.out.println(Arrays.toString(digest));
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