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SHA-256 算法

news 2025/10/19 5:51:21

SHA-256 是一种 密码学哈希算法（Cryptographic Hash Function），属于 SHA-2（Secure Hash Algorithm 2） 系列，由美国国家安全局（NSA）设计，并由 NIST 于 2001 年发布的。
它的输出固定为 256 位（32 字节），无论输入数据多长，结果长度都相同。

🔹 一、SHA-256 的主要特性

特性	说明
输入长度	任意长度的消息
输出长度	固定 256 位（32 字节）
安全性	目前被认为是安全的（截至 2025 年）
抗碰撞性	极难找到两个不同的输入得到相同的哈希
抗预映像性	极难从哈希值反推出原始输入
确定性	同样的输入必然产生同样的输出

🔹 二、SHA-256 工作流程（算法原理）

SHA-256 的计算过程主要包括以下步骤：

消息填充（Padding）
- 在消息末尾添加一个 1，然后添加足够的 0，使得长度 ≡ 448 (mod 512)。
- 最后再附加一个 64 位的原始消息长度（单位：比特）。
分块处理（Parsing）
- 将填充后的消息分为多个 512 位块。

初始化哈希值（Initialization）

定义 8 个初始常量：

H0 = 0x6a09e667
H1 = 0xbb67ae85
H2 = 0x3c6ef372
H3 = 0xa54ff53a
H4 = 0x510e527f
H5 = 0x9b05688c
H6 = 0x1f83d9ab
H7 = 0x5be0cd19

计算消息调度表（Message Schedule）

每个块生成 64 个 32 位字：

W0~W15 由块数据直接得到
Wt = σ1(Wt−2) + Wt−7 + σ0(Wt−15) + Wt−16

64 轮压缩（Compression Rounds）
每轮使用以下操作：

然后更新：

h = g
g = f
f = e
e = d + T1
d = c
c = b
b = a
a = T1 + T2

其中：

Ch(x,y,z)  = (x & y) ^ (~x & z)
Maj(x,y,z) = (x & y) ^ (x & z) ^ (y & z)
Σ0(x) = ROTR2(x) ^ ROTR13(x) ^ ROTR22(x)
Σ1(x) = ROTR6(x) ^ ROTR11(x) ^ ROTR25(x)
σ0(x) = ROTR7(x) ^ ROTR18(x) ^ SHR3(x)
σ1(x) = ROTR17(x) ^ ROTR19(x) ^ SHR10(x)

更新哈希值（Update State）
每个数据块处理后，更新 8 个哈希寄存器：
```
H0 = H0 + a
H1 = H1 + b
...
H7 = H7 + h
```
输出结果
拼接最终的 8 个 32 位寄存器：
```
H = H0 || H1 || H2 || H3 || H4 || H5 || H6 || H7
```

🔹 三、示例（Python 实现）

import hashlibdata = b"hello world"
hash_value = hashlib.sha256(data).hexdigest()print(hash_value)

输出：

b94d27b9934d3e08a52e52d7da7dabfac484efe37a5380ee9088f7ace2efcde9

🔹 四、应用场景

应用	说明
数字签名	与 RSA/ECDSA 等结合，验证数据完整性
密码存储	常与 salt 一起使用（如 bcrypt、PBKDF2）
区块链	比特币的核心哈希算法
完整性校验	文件或固件验证（如 `sha256sum` 命令）

🔹 五、与其他哈希算法的比较

算法	输出长度	安全性	速度	备注
MD5	128 位	弱	快	已被弃用
SHA-1	160 位	不安全	中	已弃用
SHA-256	256 位	安全	稍慢	推荐
SHA-512	512 位	更安全	慢	用于高安全场合
SHA3-256	256 位	新标准	慢	基于 Keccak 设计