SHA-256算法详解——Github工程结合示例和动画演示
近日笔者在学习区块链的相关知识，接触到SHA-256算法，这里做一个知识梳理和总结。
强烈推荐大家自行去学习下面链接github上的工程，作者的动画演示和解释做的非常出色，逻辑非常清晰，B站搬运的对应的油管的讲解视频也放在下面，本文也是基于此github工程和作者学习过程的思路进行呈现。
github：
https://github.com/in3rsha/sha256-animation
B站讲解视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1Jg411G7tc
ruby（windows）安装教程：
https://www.cnblogs.com/minisayo/p/14015747.html
可以先将github工程下载到本地，因为作者是用的ruby进行动画展示，所以需要再windows/Linux系统上安装ruby，之后在工程目录下调用ruby xxx.rb指令即可啦。
下面是整个工程的流程图，也对应着SHA-256算法的设计思路。
一、运算定义
为了后续分析思路与流程的连贯性，在这里先统一声明一下一些运算的定义，后续一些函数会直接对这些运算进行封装使用。
1、右移Right Shift (shr.rb)
这里的右移会产生两种结果，第一种结果是左侧移动完之后位为0，右侧被移走的位丢失，如上图所示SHR 32的操作，原数据为32位，在右移32位之后原数据都被右移丢失，剩下的左侧移动完的位全为0。
2、旋转右移Right Shift (rotr.rb)
这里要尤其注意和SHR右移的区别，观察演示图可以发现对于旋转右移而言数据组成了一个环形，移动位数只是改变位的绝对位置，并不会丢弃数据，所以原数据32位，再进行ROTR 32的操作实际上就是所有数据位旋转了一整圈，又回到了原来的位置。
3、异或XOR (xor.rb)
按位异或，0^0 = 0，1^0 = 1，0^1 = 1，1^1 = 0。
4、加法Addition (add.rb)
这里和二进制加法一样，但是由于多个32位的数据相加，最终的存在着溢出的风险，因此最终的结果进行取模2*32将其约束在32位输出。
二、函数定义
第一部分的运算被封装组合起来就是这部分的函数，在这里先列出一些后续算法流程分析会用到的函数，读者可以先有个大概印象，后面第三部分算法流程分析的时候再回看也可以。
前四个函数使用希腊符号 Sigma（小写 σ，大写 Σ）命名。这些名称没有特殊含义，只是为了方便给一些组合运算命名。
1、σ0 (sigma0.rb)
σ0(x) = ROTR7(x) ^ ROTR18(x) ^ SHR3(x)先分别计算ROTR 7位和ROTR18位和SHR 3位，再将三者异或
2、σ1 (sigma1.rb)
σ1(x) = ROTR17(x) ^ ROTR19(x) ^ SHR10(x)先分别计算ROTR 17位和ROTR 19位和SHR 10位，再将三者异或
3、Σ0 (usigma0.rb)
Σ0(x) = ROTR2(x) ^ ROTR13(x) ^ ROTR22(x)先分别计算ROTR 2位和ROTR 13位和ROTR 22位，再将三者异或
4、Σ1 (usigma1.rb)
Σ1(x) = ROTR6(x) ^ ROTR11(x) ^ ROTR25(x)先分别计算ROTR 6位和ROTR 11位和ROTR 25位，再将三者异或
5、Choice (ch.rb)
这个函数使用x位在y位和z位之间进行选择。如果x=1，则选择y位；如果x=0，则选择z位。
6、Majority (maj.rb)
这个函数返回三位中的多数位。
7、常量Constants (constants.rb)
SHA-256 使用六十四个常量
Kt来帮助在主哈希计算过程中混合比特。
首先计算前64个质数的立方根，然后取其小数部分乘2^32，将得到的常量作为Kt使用，其中t表示第t个质数运算后的结果。
这些立方根的小数部分是无理数（它们无限延伸），因此它们是用于常量的良好随机比特选择。这比使用特别选择的常量更好，因为这降低了哈希函数被设计成具有后门的可能。
三、算法流程分析
在这里message的内容是可以自己指定的，我们以message = dyq 为例（在每个rb文件的开头可以自定义默认输入）
1、message.rb
输入一个message字符串时，我们将每个字符转换为 ASCII 表中的对应数字。这些数字被转换为二进制，我们使用这些二进制数据作为哈希函数的输入。
2、padding.rb
SHA-256 哈希函数以 512 位的block数据块为单位进行操作，因此所有消息都需要用零填充至最接近的 512 位的倍数，可以是512、1024等，这里先填充到448位，后64位预留出用来表示message的比特位数。
为了防止相似输入哈希到相同的结果，我们用
1位将消息与零分隔开，并在填充的最后 64 位中包含消息的大小。
以上这种用
1分隔消息并在填充中包含消息大小的方法被称为 Merkle–Damgård 加强（MD 加强）。
3、blocks.rb
消息经过填充后，我们将其切割成等长的 512 位消息块
Mi以便哈希函数处理。
每个消息块也可以进一步分成 16 个词Wj (
512 / 32 = 16 words)，每个词的长度为32bit，这将在后续使用。
4、schedule.rb
对于前16个word，每个word有32个bit，相当于是把原本的block0分为了32*16。
从第17个word开始根据下面的公式进行计算
Wt = σ1(Wt-2) + Wt-7 + σ0(Wt-15) + Wt-16其中σ1和σ0在第二部分可以找到函数的定义。
5、expansion.rb
这一步展示的是上面最后一个word W63生成的运算过程。
6、initial.rb
初始哈希值使用了前八个质数的平方根的小数部分。我们将这八个字母作为状态寄存器，我们可以将其作为开始哈希计算的起点（初始状态）
7、t1.rb t2.rb
我们需要先使用状态寄存器中的当前值来计算两个新的临时词（
T1和T2），为后续的压缩过程做准备。
T1 = Σ1(e) + Ch(e, f, g) + h + Kt + Wt其中Σ1和Ch函数在第二部分，h为h状态寄存器存储的值，Kt为第二部分的64个常数值，Wt为schedule.rb求得的word。
T2 = Σ0(a) + Maj(a, b, c)其中Σ0函数和Maj函数均在第二部分。
8、compression.rb
压缩是整个算法的核心。我们再将其细化进行分析
（1） step1：计算出T1和T2
（2） step2：所有寄存器下移一个
（3） step3：更新a和e寄存器的值
以上三步可以概括为计算T1,T2；下移寄存器；更新a和e值，至此我们称为完成一轮压缩。这样的压缩要对一共64个word都进行一遍。
以上就是第二轮的step1开始以此类推。
压缩完64轮之后，将最终的abcdefgh寄存器的值和initial.rb中的abcdefgh中的值相加得到最后的寄存器值
如果还有进一步要处理的消息块（block1，block2……），按照下图当前的哈希值将作为下一个压缩的初始哈希值。
9、final.rb
最终将8个32位的寄存器值转化为8个16进制的哈希值并拼接在一起，最终得到message的哈希值
使用哈希计算器验证一下是没问题的
10、sha256.rb
# 直接进行哈希运算
ruby sha256.rb abc# 也可以输出二进制和十六进制数据
ruby sha256.rb 0b01100001
ruby sha256.rb 0xaabbccdd# 哈希一个文件 (请注意，文件末尾将有一个换行符)
ruby sha256.rb file.txt# 添加不同的命令行参数
ruby sha256.rb abc normal # 默认
ruby sha256.rb abc fast # 加速演示
ruby sha256.rb abc enter # 每按一次回车，步进一次动画sha256.rb是一个集成上述功能的完整代码，除此之外，还可以指定命令行参数实现不同操作。
将sha-256.rd的输出改成可分为多个block的长message，测试多个block条件下hash算法
观察以上代码运行后的结果发现，进行了多个block的流水线运算，最终的结果正确，真是太吊了。但是这里注意改变输入时不能直接在命令行输入段落，因为作者的代码中不能识别空格，所以只能在rb文件里改变input，但是也无伤大雅，笔者有时间会完善一下这个小bug的。