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安全基础学习-SHA-1(Secure Hash Algorithm 1)算法

news 2025/12/20 5:26:45

SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）是一种密码学哈希函数，用于将任意长度的输入数据（消息）转换成一个固定长度的输出（哈希值或摘要），长度为160位（20字节）。SHA-1的主要用途包括数据完整性验证、数字签名、密码存储等。

1、SHA-1 的特性

定长输出：无论输入数据长度是多少，SHA-1都会产生160位的固定长度哈希值。
单向性：SHA-1函数是不可逆的，无法通过哈希值推导出原始输入数据。
碰撞抵抗：理想情况下，找到两个不同的输入具有相同的哈希值的概率应该非常低。然而，SHA-1已经被发现存在碰撞漏洞，因此在现代应用中逐渐被更安全的算法（如SHA-256）取代。

2、SHA-1 工作原理概述

SHA-1 算法的核心步骤包括：

消息填充：将消息长度填充到一个满足某种条件（例如512位块）的长度。填充方式通常是先在消息末尾添加一个 1，然后再添加若干个 0，直到消息长度为接近但不超过512的整数倍。最后，消息长度信息也会被附加到填充后的消息中。
初始化散列值：SHA-1 使用五个初始散列值 H0、H1、H2、H3 和 H4，这些值都是常量。
处理每个数据块：消息分块后，每个块都经过一系列的操作（如扩展、位运算、混合等），并更新中间哈希值。
输出最终哈希值：经过所有块的处理后，五个散列值被连接在一起，形成最终的160位哈希值。

3、示例数据

以字符串 “abc” 为例，通过 SHA-1 算法计算其哈希值。

3.1 步骤 1: 消息填充

原始消息 “abc” 转换为 ASCII 编码：01100001 01100010 01100011。

3.1.1 原始消息长度

消息的二进制长度为 3 * 8 = 24 位。

3.1.2. 填充“1”：

在消息末尾添加一个 1，得到：01100001 01100010 01100011 1。
添加1的目的是作为字节结束标志位

3.1.3. 填充“0”：

在SHA-1算法的填充步骤中，最终会在填充后的消息末尾附加一个64位的字段，这个字段记录的是原始消息的比特长度。

在“1”位之后，填充若干个“0”位，直到消息的长度达到448位。这一步的目的是确保最终消息长度为512的倍数。

填充后的消息长度为448位（448 = 512 - 64，因为最后要附加64位的消息长度字段）。因此，填充的内容将是：

01100001 01100010 01100011 10000000 00000000...（后续填充到448位）

这段消息长度为448位，其中包含了原始消息、一个“1”位以及多个“0”位。

注：

附加消息长度：在填充后的消息末尾，附加一个64位的字段，这个字段表示原始消息的比特长度。在这个例子中，原始消息长度是24位（二进制为00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00011000，注意它是64位的）。

因此，最后的消息变为：

01100001 01100010 01100011 10000000 00000000...（后续填充到448位）...00000000 00000000 00000000 00011000

最终，整个消息的长度是 512位，它由**填充后的消息（448位）和原始消息长度（64位）**组成。

为什么附加64位的消息长度

附加的64位字段用于存储原始消息的比特长度，目的是确保不同长度的消息，即使内容相同，经过SHA-1处理后也会得到不同的哈希值。这是为了避免哈希碰撞并确保消息的完整性。

3.2 步骤 2: 初始化哈希值

使用SHA-1算法的初始哈希值：

H0 = 0x67452301
H1 = 0xEFCDAB89
H2 = 0x98BADCFE
H3 = 0x10325476
H4 = 0xC3D2E1F0

3.3 步骤 3: 处理512位数据块

对512位的消息块进行处理：

3.3.1 消息分组：将512位的消息分成16组，每组32位。

W[0] = 01100001 01100010 01100011 10000000
W[1] = 00000000 00000000 00000000 00000000
W[2] = 00000000 00000000 00000000 00000000
...
W[14] = 00000000 00000000 00000000 00000000
W[15] = 00000000 00000000 00000000 00011000

3.3.2. 消息扩展：扩展到80个32位字。

通过以下公式将消息扩展到 80 个 32 位字：

W[i] = (W[i-3] XOR W[i-8] XOR W[i-14] XOR W[i-16]) 左旋转 1

需要根据上面的公式计算出 W[16] 到 W[79]。

消息扩展的理解

消息扩展是SHA-1算法中将初始消息块从16个32位字（总共512位）扩展到80个32位字（总共2560位）的过程。这一步是为了增加消息的复杂性，确保生成的哈希值更难以预测，从而提高加密的安全性。

消息扩展的步骤

假设我们有一个512位的消息块，将其分成16个32位字，标记为 W[0] 到 W[15]。这些是初始的16个字。接下来，通过以下的递推公式生成 W[16] 到 W[79]。

递推公式：

对于 i 从16到79(扩展的64个32位字)，使用以下公式来计算：

W[i] = (W[i-3] XOR W[i-8] XOR W[i-14] XOR W[i-16]