安全基础学习-SHA-256

SHA-256 是一种密码学哈希函数，是 SHA-2（Secure Hash Algorithm 2）家族的一部分。它被广泛用于数据完整性验证、数字签名以及密码存储等领域。

1、SHA-256的原理

SHA-256 生成一个固定长度为 256 位（32 字节）的哈希值。无论输入数据的大小或类型，输出的哈希值始终是 256 位长。SHA-256 具有以下几个特点：

• 单向性: 通过哈希值无法反推出原始数据。这使得它适用于存储密码等敏感信息。
• 抗碰撞性: 找到两个不同的输入数据，它们的哈希值相同的难度非常高。
• 雪崩效应: 输入数据的微小变化会导致输出的哈希值有显著变化。
• 固定长度输出: 无论输入数据的大小如何，输出始终是256位。

2、SHA-256 的主要步骤

1. 数据填充: 将数据填充到满足 512 位的整数倍。填充方式是先加一个 ‘1’ 位，然后加足够的 ‘0’，最后附加一个 64 位的数据长度。

2. 初始散列值: 使用一组 32 位的常数初始化 8 个变量。

3. 处理消息块: 对每个 512 位的消息块进行一系列数学运算，这些运算主要包括位运算、模加法和一些常量的使用。每个块处理后，将结果累加到初始散列值中。

4. 输出最终哈希值: 所有块处理完后，将最终的 8 个变量拼接在一起形成 256 位的输出哈希值。

3、示例数据

假设我们要计算字符串 “abc” 的 SHA-256 哈希值。

3.1.数据填充(同SHA1,不再详细解释原因)

首先将输入数据填充到长度为 512 位的倍数（一个块为 512 位）。对于字符串 “abc”：

3.1.1 原始数据:

二进制表示（ASCII 编码）:
a: 01100001
b: 01100010
c: 01100011
总共 24 位：01100001 01100010 01100011

3.1.2 添加一个 ‘1’ 位:

01100001 01100010 01100011 1

3.1.3 填充 ‘0’：填充到 448 位：

01100001 01100010 01100011 10000000

后面加 423 个 0

3.1.4 添加原始长度：最后附加 64 位的原始长度（24 位），结果为：

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000011000

3.1.5 填充后的总数据长度为 512 位（64 字节）：

01100001 01100010 01100011 10000000 00000000 ... 00000000 00000000 00011000

3.2 初始化散列值

SHA-256 使用 8 个 32 位的初始哈希值（常数）：

H0 = 6a09e667
H1 = bb67ae85
H2 = 3c6ef372
H3 = a54ff53a
H4 = 510e527f
H5 = 9b05688c
H6 = 1f83d9ab
H7 = 5be0cd19

3.3 处理消息块

将 512 位的数据分成 16 个 32 位的字：

• W0 = 01100001 01100010 01100011 10000000
• W1 - W14都为 0，W15 为 00000000 00000000 00000000 00011000

然后将这些字扩展为 64 个字，并依次进行运算。这里会涉及到位操作、模加法和常量使用。

由于计算过程非常复杂且公式较多，下面是一些关键步骤：

3.3.1 主要计算公式:

Σ0(a) = ROTR(2,a) ^ ROTR(13,a) ^ ROTR(22,a)
Σ1(e) = ROTR(6,e) ^ ROTR(11,e) ^ ROTR(25,e)
Ch(e,f,g) = (e & f) ^ (~e & g)
Maj(a,b,c) = (a & b) ^ (a & c) ^ (b & c)

3.3.2 循环计算:

for i in range(64):T1 = h + Σ1(e) + Ch(e,f,g) + K[i] + W[i]T2 = Σ0(a) + Maj(a,b,c)h = gg = ff = ee = d + T1d = cc = bb = aa = T1 + T2

最终，这个块的处理结果会累加到初始哈希值中。

3.4.输出最终哈希值

处理所有块后，将 H0-H7 的值连接起来就是最终的 SHA-256 哈希值。

ba7816bf8f01cfea414140de5dae2223b00361a396177a9cb410ff61f20015ad

4、python实现

import structdef right_rotate(n, b):"""右旋转 n by b bits."""return