安全散列算法SHA-1的研究

１９ ９ ５年 ，其 改进版本 Ｓ ＨＡ一１ 正式 公布 （ ＨＡ—ｌ 有 也 Ｓ 具 比Ｓ ＨＡ一 ０更高 的安全 性 ｏ Ｓ ＨＡ－１ 法 …是 目前 最常 算 用 的安全散 列算法 和最 先进 的加密 技术 。Ｓ ＨＡ一１算法 的 思 想是 接收 一 段 明文 ，然 后 以一 种不 可 逆 的方 式将 它 转
得 Ｌ ＋ １＋ ｋ 即补位 后 的消 息长度 ） （ 满足 对 ５ ２ ｌ 取模 后
余数 是 ４ ８ ４ 。然 后 ，添 加最 后 的 ６ ４位二 进制数 据 ，这 ６ ４
名标 准 （ Ｓ ） Ｄ Ｓ 、传输 层 安全 （ Ｌ ） Ｔ Ｓ、安全 电子 交易 （Ｅ ） ＳＴ、 互联 网协议 安全 （Ｐ ｅ ） Ｉ Ｓ ｃ、无线 局域 网 （ Ｌ Ｗ ＡＮｓ 安全 、 ）
Ｚ ＡＮ ｏ ｇ ｒｎ Ｔ 噌 Ｈ Ｇ Ｓ ｎ ａ ， ＡＯ ＲＯ ｉ ， Ｕ ｕ —ｎ ａ Ｙ Ｇ Ｏ ｕ
（ｕ ａ ｓｔｔ ｏ ｃｎ ｎ ｅ ｎｌｙ Ｌｏａ ， ｅ ｎ４ １２ ，ｈａ Ｚｏ ｎ Ｉｔｕ ｆＳｉｃ ａｄ Ｔ ｋｏｇ ， ｕ ｎ Ｈｎ ２ ０Ｙ Ｃ／） ｙ ｇ ｎｉ ｅ ｅｅ ｃ ｏ ｙｇ ａ ｎ
２ １ ２ Ｓ Ａ－１常量 ． 。 Ｈ
Ｓ ＨＡ一 一 共 需 要 ８ １ ０个 ３ ２位 的 常 量 （ Ｋ ” Ｋ， ，
Ｋ ，以 ｌ 制给 出 ， 。 ） ６进 它们 如下所 示 ： （） ＝０ ５ ２ ９ ９ （ １Ｋ＋ ｘ Ａ８ ７ ９ ０≤ ｔ １ ） ≤ ９ （） ＝０ ６ Ｄ Ｅ Ａ （０≤ ｔ≤ ３ ） ２Ｋ＋ ｘ Ｅ ９ Ｂ １ ２ ９
Ａｂ ｔａ ｔ Ｉｆ ｒ ｔｏ ｅｃｙｐｉｎ ｔｃｎ ｌｇ ｈ ｓ ｅｏ ａ ｉ ｏ ｔｎ ｍｅ ｎ ｔ ｅｓｒ ｎｔ ｒ ｓｃ ｒ ｙ ｎ ｅｃｙ ｔ ｎ ｌｏｉｈ ｓ ｒｃ ：ｎ ｏｍａ ｉ ｎ ｎ ｒ ｔ ｅｈｏｏ ｙ ａ ｂｃ ｍｅ ｎ ｍｐ ｒａ ｔ ｏ ａ ｓ ｏ ｎｕｅ ｅｗｏｋ ｅｕ ｉ ａ ｄ ｎｒ ｐ ｉ ａｇ ｒ ｍ ｈ ｓ ｅ ｏ ａ ｔ ｏ ｔ ａ ｂ ｃｍｅ
ｈ ｔｐｔ． ｈｓ ａ ｅ ｉｔｏ ｕｅ ｔｅ Ｈ ｌ ｌｏｉｈ ｃ ａａ ｔ ｒ ｔ ａ ｄ ｐ ｌａ ｉ ｏ ｓｏ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｎｒｄ ｃ ｓ ｈ Ｓ Ａ ａｇ ｒ ｍ ｈ ｒｃｅ ｉ ｉ ｎ ａｐｉ ｔ ｎ． ａ ａｙｓｓ Ｈ ｔ ｓｃ ｃ ｏ ｎ ｌ ｅ Ｓ Ａ－ １ ｌｏｉｈ ａｇ ｒｔｍ ｐｉ ｉｌ ｎ ｆ ｌｍｅ ｔｔｏ ｒ ｃｐ ａ ｄ ｍｐｅ ｎ ａ ｉ ｎ ｅ ｎ．
。 ㈣ 。 。１ ０ ００ １
ａ
ｂ
ｃ
Ｌ＝２ ４
２ ２２ 分割 已填充 消息 ．．
经 过 消 息 填 充 后 ，还 必 须 将 数 据 划 分 成 ｍ 位 一 组
的 Ｎ 块 的数 据块 来提 供 给下 面 的散 列 值计 算 过程 。对 于 Ｓ ＨＡ—ｌ ，填 充过 的 消息被 分割 成 Ｎ（ ’Ｍ ， ，Ｍ ） Ｍ“， …
个数据 块之 前 ，缓冲 区 Ｈ Ｈ．Ｈ，Ｈ ， 被设 置初 始值 。 ， ， Ｈ
一 —．．．．． Ｌ ．．．．． ．．．． ．．．．．
的方 便 易行 的 安全 算法 ， 目前 很 多计算 机 语 言 ，像 Ｃ， Ｊ ｖ ，Ｃ＋＋和 Ｐ ａａ ＨＰ依 照 Ｓ ＨＡ—ｌ算法 的标 准都能 实现
Ｋｅ ｗｏｒ ： ｅ ｕｅ ａｈ ｌｏｉｈ ｙ ｄｓ Ｓ ｃｒ ｈ ｓ ａｇ ｒｔｍ； Ｓ Ａ １； Ｅｎｒ ｐ ｉ ｔｃ ｎｌｇ Ｈ ｃｙ ｔ ｎ ｅ ｈｏｏ ｙ ｏ
１引言
安全散 列 算法 （ ＨＡ） Ｓ 是一 种 常用 的数 据 加密 算法 。
它 由美 国国家 标准 与技术局 （ Ｓ 于 １９ 年 作为 联邦 ＮＩ Ｔ） ９３
就 得到 ５ ２位 的填 充消 息 ： ｌ
２Ｓ Ａ １ Ｈ － 算法原理分析
２ １函数与常量定义 ．
＝ 』
＿ ＿ 、
基 于上 述 Ｓ ＨＡ－Ｉ 法原 理的 分析 ，Ｓ 算 ＨＡ一１ 法实 算
现 流程 如图 １ 示 。 所
０１１ ００１ ００
性 ，而 且 实 现 起 来也 比较 简单 、容 易理 解 。考 虑 到 网络 上 的数 字签 名 ，乃至 电子 商 务等 ，一般 采用 Ｊ ｖ ａ ａ实 现代 码 较 简单 迅 速 ， 可移 植 性 和 安 全性 也 能得 到 更好 的保 其 证 。事 实上 ，这里 还存 在一 个潜 在 的问题 ： ＨＡ—ｌ算法 Ｓ 信 息摘 要的 计算速 度并 不 总是能 满 足要 求。使 得 Ｓ ＨＡ－ｌ
单 向性 和抗碰 撞 性 。单 向性 即 由原 始 消 息计 算 出信 息摘 要 很容 易 ，而 由消息摘要计算 出原始消息在计 算上则几乎
是不可行 的。而所谓 的抗碰撞性 是指 ，要 找到两个 不 同的
（） ｘ Ａ ２ ６ （０≤ ｔ ７ ） ４Ｋ＝０ Ｃ ６ Ｃ Ｄ ６ １ ≤ ９
ｊ （ ０ Ｂ Ｄｊ ＾Ｄ） ０（
Ｌ） Ｂ． ：（ ４ ，ｅ Ｃ Ｄ） Ｂ￥ （０Ｄ） ＝ ｆ （０≤ ６ ７） ９ （ Ｉ ，是与 ，～ Ｊ． ０ 足 井或 ） 渔 咧： 足 ｜
换 成 一段 （ 常更 小 ） 文 ，也 可 以 简单 地 理 解 为 取 一 通 密
串输 入码 ，把 它们 转化 为 长 度较 短 、位数 固定 的输 出序
研 究 ，介 绍 了 ＳＡ 算 法 的特 性 和 应 用 ，并 对 ＳＡ 算 法原 理 及 实 现 进 行 了分析 。 Ｈ —Ｉ Ｈ 一１
关 键 词 ： 全散 列算 法 ； Ｈ 一１； 密技 术 安 ＳＡ 加
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｓ ａ ｃ ｏ Ｓｅ ｕ ｅ Ｈａ ｈ ｃ ｒ ｓ Ａｌ ｒｔ ｇｏ ｉｈｍ ＳＨＡ－１
２ １ １ Ｈ －１的迭 代函数 。． Ｓ Ａ Ｓ ＨＡ—ｌ 用 ８ 使 ０个 连 续 的 逻 辑 函数 ： ｆ ”， ｆ， ｆ。 。
每个 函数 ｆ ０≤ ｔ ７ ） 操作 三个 ３ ｔ （ ≤ ９都 ２位字 （ Ｃ， ， Ｂ， Ｄ） 产 生一 个 ３ 位 字作 为输 出。 函数 ｆ Ｂ， ， ） ２ ｔ Ｃ Ｄ 定义如 下 ： （
随机数 生成 算法和 密码 存储机 制等 。
位 二进 制数 据就 是原 始 Ｌ位 消息 （ ） 度 的二进 制表 示。 Ｍ 长
例 如 ： ８位 ＡＳＣＩ 码 系 统 中 ，消息 “ ｂｃ 在 Ｉ ａ ”长 度 为 ８ ×３＝ ２ ，加 上 一 位 “ ” ４ １ ，还 要添 加 ４ ８一 （４＋ １ ＝ ４ ２ ） ４ ３位 “ ” ２ ０ ，最后 加 上 ６ ４位 原 始消 息长 度 二进 制 表示 后 ，
（） ＝０ ８ Ｂ ＤＣ （０≤ ｔ ５ ） ３Ｋ． ｘ Ｆ１ ＢＣ ４ ≤ ９
列 即散 列 值 （ 为 信 息 摘 要 ） 称 的过 程 。该 算 法 对 长 度 不 超过 ２ 的 消息 产生 １０位 的消 息摘 要输 出 ，输入 按 ５ ２ ６ １
位 的分 组进 行 处理 。Ｓ Ａ一１算法具 有两 个 重要 特性 ： Ｈ
安全散 列算法 Ｓ Ａ 的研 究 Ｈ －１
张松敏 ， 陶 荣 ，于 国 华
（ 阳理工 学院 ，河南 洛 阳 ４ １ ２ ） 洛 ７ ０３
摘 要 ： 信息加 密技术是 当今保 障 网络安 全的一种重要 手段 ，加 密算 法已成为人 们研 究的一个 热点 。对 ＳＡ 算法进行 了深入 Ｈ ～Ｉ
２ ２预 处理 ．
在 进 行散 列 值 计算 之 前 ，先 要对 需 要 加 密的 数据 进 行预 处 理 。这 一预 处 理 由三 部 分组 成 ： 息填 充 、分 割 消 已填 充 消息 （ 将填 充 后的 消 息 等 分 成 ｍ 位处 理 块 ） 、为
原 始消息生成同一个信息摘要在计算上也是不可行的。 Ｓ ＨＡ一１ 算法 在加 密学 中扮演 着极其 重要 的角色 ，可 以用于 实现数 据保 密 、防止数 据更 改和 身份 验证 等功能 。
洋
图 １ Ｈ １算 法 买 现 流 程 Ｓ Ａ
Ｓ ＨＡ一１算 法 是一 种 易于 实 现并 可 以基 于 多 种 平 台
Ｈ ， ， ， ， 。８ 。Ｈ Ｈ， Ｈ： Ｈ ０个字的缓冲区被标识为 Ｗ。Ｗ１． Ｗ ， ’ ”， 。 另外 ，还需 要一 个一 个字 的 ＴＥ Ｐ缓 冲 区。 为 了产 生 消 Ｍ 息摘 要 ，定 义的 １ 字的数 据 块 Ｍ ．Ｍ 一， ６个 ， Ｍ 会 依次 进 行处 理 ，处 理 每 个 数 据 块 包含 ８ ０个步 骤 ，在 处 理 每
Ｓ ＨＡ－１ 当然 ， 。 受语 言平 台应 用性 的制 约 ，应用 最广泛
的 是 Ｃ语 言 和 Ｊ ｖ ａ ａ语 言 。 自身计 算 机 上 的 消息 认 证一
般 采 用 Ｃ语 言实 现就 足 够 ， 仅能 够保 证 良好 的可 移植 不
为 了处 理 Ｍ． 要进 行如下 步骤 ： ，需 （） Ｍ ， １将 分成 ｌ 字 Ｗ。 Ｗ 一， ， Ｗ。 ６个 ， Ｗ （ 是最 左边 的字 ） 。 （） ２ 对于 ｔ ６到 ７ ，令 ＝１ ９ ｓ（ ０Ｈ 。 ＠ ） ０ 一 。
数 据抽 取散列 值 （ 为 消息摘 要 ） 称 ，并 与对称 或 非对 称加 密 技 术一 起来 完 成对 原 始数 据 的认 证 和 完整 性检 查 。另
外 ，ＳＨＡ一１ 法 是 当今 众 多 流行 加 密 思 想核 心 ， 几乎 算
无 处不 在 。它 在许 多 安全 协 议 中广 为 使用 ，如 ： 字 签 数
２ ３散列值计 算 ．
在 对 原 始 数 据 消 息 进 行 了 填 充 、分 割 后 ， 就 可 以
开 始 ＳＨ Ａ－１ 法 的核 心 部分 ： 列 值计 算 。计 算 需 要 算 散
两 个 缓 冲 区 ，每 个 都 由 ５个 ３ ２位 的 字组 成 ，还 需 要 一 个 ８ ０个 ３ ２位 字 的 缓 冲 区。 第 一 个 ５个 字 的 缓 冲 区 被 标识 为 Ａ ， Ｃ， Ｅ。第二 个 ５个 字的缓 冲 区被标 识 为 Ｂ， Ｄ，
一
个典 型 的应用 是从 数字 消 息 、Ｉ Ｐ信息 包 、磁盘 文 件等
散列 值计 算设置 初始化 值 。 ２ ２ １消息填 充 。． 假设 原 始消 息 （ ） 长度 是 Ｌ位 。首先 ，在 消 息最 Ｍ 的 后 加 一 位 “ ” 接 着 在 这 位 “ ” 后 面 补 ｋ个 … ，使 ｌ， ｌ ０
（ １ （ ， Ｄ） Ｂ－ ｊ （ Ｉ Ｂ ＝（ ０ ～Ｂ 、 Ｄ） （ １ Ｂ Ｃ Ｄ） Ｂ Ｃ０ Ｄ） ２． ． ＝（ ￡） ３ ． ＝（ Ｄ） Ｂ （ ≤１ ） Ｏ≤ ９ （０≤ｆ ３ ） ２ ９ （Ｏ ， ５ ） ４ ９
信 息 处理 标 准 公布 （ 第一 代 Ｓ 即 ＨＡ 算 法 Ｓ ＨＡ一 ） ０。在
散 列值 由下 面 ５个 ３ 的字 组 成 ，其 １ 进 制 表 示 如下 ： ２位 ６
Ｈ （ 。 ＝ ７ ５ ３ １； Ｉ ｘ ＦＣ ４２０ Ｈ ￣ ｌ Ｅ ＤＡＢ８ ； “ ＝０ ９ Ｈ ” ＝啦 ８ ＢＡＤＣ ＦＥ ；
，
，
Ｈ ＝ ｘ０ ５ ６ Ｈ‘： ＣＤＥＦ 。 ｆ ０ １ ２ ７ ； ０ ３２１０ ３４ ” ｘ ＝
块 ，每 块 ５ ２位 。然 后 每 组 ５ ２位 的输 入 块 可 以表 示 成 １ １ １ ６个 ３ ２位的字 ，分 别 记为 ： “ Ｍ ， ，Ｍ ， Ｍ。 ， “ … 。 ”
２ ２３设 置初 始散 列值 （（ ．． Ｈ 。 ）
在 安 全 散 列 算 法 开 始 其 核 １ 散 列 迭 代 计 算 之 ５的 前 ，还 必 须设 置 好 正 确 的 初 始 散 列 值 Ｈ 。 而 Ｈ 的 数 量 和 字 长取决 于消息 摘要 的选择 。对于 Ｓ ＨＡ一１ ，初始