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SHA-256简介
SHA-256 是 **SHA-2（Secure Hash Algorithm 2）**家族中的一种哈希算法，由美国国家安全局设计，并于 2001 年发布。它能够将任意长度的数据映射为一个固定长度256 位，即 32 字节的哈希值，通常以 64 个十六进制字符的形式表示。SHA-256 被广泛用于数据完整性验证、数字签名、区块链等领。
SHA-256 的特点
- 固定输出长度：
- SHA-256 生成的哈希值始终是 256 位（32 字节）。
- 不可逆性：
- 从哈希值无法反推出原始数据。
- 雪崩效应：
- 输入数据的微小变化会导致输出哈希值的巨大变化。
- 抗碰撞性：
- 设计上极难找到两个不同的输入生成相同的哈希值。
- 高效性：
- 计算速度快，适合处理大量数据。
- 安全性：
- 目前尚未发现有效的攻击方法，被广泛认为是安全的。
SHA-256 的应用场景
- 数据完整性验证：
- 通过比较文件的 SHA-256 值，可以验证文件是否被篡改。
- 数字签名：
- 用于生成数据的唯一标识，确保数据的真实性和完整性。
- 区块链：
- 比特币和其他加密货币使用 SHA-256 进行区块哈希计算。
- 密码存储：
- 用于存储用户密码的哈希值（通常与盐值结合使用）。
- 证书和密钥：
- 用于生成 SSL/TLS 证书和密钥。
SHA-256 的工作原理
SHA-256 的计算过程可以分为以下几个步骤：
1. 填充数据
- 将输入数据的长度填充至 512 位（64 字节）的倍数。
- 填充方式：在数据末尾添加一个
1，然后添加若干个0，最后添加一个 64 位的整数，表示原始数据的长度。
2. 初始化哈希值
-
SHA-256 使用 8 个 32 位的状态变量（A, B, C, D, E, F, G, H），初始值为以下常量：
A = 0x6A09E667 B = 0xBB67AE85 C = 0x3C6EF372 D = 0xA54FF53A E = 0x510E527F F = 0x9B05688C G = 0x1F83D9AB H = 0x5BE0CD19
3. 分块处理
- 将填充后的数据分割成若干个 512 位（64 字节）的块。
- 对每个块进行 64 轮处理。
4. 64 轮变换
- 每轮使用以下非线性函数和常量：
- Ch:
Ch(x, y, z) = (x & y) ^ (~x & z) - Maj:
Maj(x, y, z) = (x & y) ^ (x & z) ^ (y & z) - Σ0:
Σ0(x) = (x >>> 2) ^ (x >>> 13) ^ (x >>> 22) - Σ1:
Σ1(x) = (x >>> 6) ^ (x >>> 11) ^ (x >>> 25) - 常量表：使用 64 个预定义的常量值。
- Ch:
5. 更新哈希值
- 每轮处理后，更新状态变量（A, B, C, D, E, F, G, H）。
6. 输出哈希值
- 将最终的 8 个状态变量（A, B, C, D, E, F, G, H）按大端序拼接，生成 256 位的哈希值。
SHA-256 的伪代码
以下是 SHA-256 算法的简化伪代码：
Input: 数据 data
Output: 256 位的哈希值1. 填充数据：- 在 data 末尾添加 1 和若干个 0，使其长度 ≡ 448 mod 512- 在末尾添加 64 位的原始数据长度2. 初始化哈希值：A = 0x6A09E667B = 0xBB67AE85C = 0x3C6EF372D = 0xA54FF53AE = 0x510E527FF = 0x9B05688CG = 0x1F83D9ABH = 0x5BE0CD193. 对每个 512 位块进行处理：- 将块分割为 16 个 32 位字- 扩展为 64 个 32 位字- 进行 64 轮变换4. 输出哈希值：- 将 A, B, C, D, E, F, G, H 按大端序拼接- 转换为 64 个十六进制字符
SHA-256 的代码实现
以下是 SHA-256 的 C 语言实现的核心部分：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>// SHA-256 状态变量
typedef struct {uint32_t state[8]; // A, B, C, D, E, F, G, Huint8_t buffer[64]; // 缓冲区uint64_t length; // 数据长度
} SHA256_CTX;// 初始化 SHA-256 上下文
void SHA256_Init(SHA256_CTX *ctx) {ctx->state[0] = 0x6A09E667;ctx->state[1] = 0xBB67AE85;ctx->state[2] = 0x3C6EF372;ctx->state[3] = 0xA54FF53A;ctx->state[4] = 0x510E527F;ctx->state[5] = 0x9B05688C;ctx->state[6] = 0x1F83D9AB;ctx->state[7] = 0x5BE0CD19;ctx->length = 0;
}// 更新 SHA-256 上下文
void SHA256_Update(SHA256_CTX *ctx, const uint8_t *data, size_t len) {// 处理数据块
}// 生成最终的 SHA-256 哈希值
void SHA256_Final(SHA256_CTX *ctx, uint8_t digest[32]) {// 填充数据并生成哈希值
}// 计算数据的 SHA-256 值
void SHA256(const uint8_t *data, size_t len, uint8_t digest[32]) {SHA256_CTX ctx;SHA256_Init(&ctx);SHA256_Update(&ctx, data, len);SHA256_Final(&ctx, digest);
}
SHA-256 的优缺点
优点：
- 安全性高：抗碰撞性强，尚未发现有效的攻击方法。
- 固定输出长度：便于存储和比较。
- 高效性：计算速度快，适合处理大量数据。
缺点：
- 计算资源消耗较大：相比 MD5，SHA-256 的计算开销更大。
- 不适合密码存储：虽然安全，但通常需要与盐值结合使用。
以下是 MD5 和 SHA-256 的对比表格：
| 特性 | MD5 | SHA-256 |
|---|---|---|
| 全称 | Message Digest Algorithm 5 | Secure Hash Algorithm 256-bit |
| 设计者 | Ronald Rivest | 美国国家安全局（NSA） |
| 发布时间 | 1991 | 2001 |
| 输出长度 | 128 位（16 字节） | 256 位（32 字节） |
| 哈希值表示 | 32 个十六进制字符 | 64 个十六进制字符 |
| 不可逆性 | 是 | 是 |
| 雪崩效应 | 是 | 是 |
| 抗碰撞性 | 弱（存在碰撞风险） | 强（尚未发现有效碰撞攻击） |
| 计算速度 | 快 | 较慢（比 MD5 慢） |
| 安全性 | 不安全（已被证明存在碰撞漏洞） | 安全（目前无有效攻击方法） |
| 应用场景 | 文件校验、数据去重（不推荐用于安全场景） | 文件校验、数字签名、区块链、密码存储 |
| 填充方式 | 填充至 448 位（56 字节）的倍数 | 填充至 512 位（64 字节）的倍数 |
| 状态变量 | 4 个（A, B, C, D） | 8 个（A, B, C, D, E, F, G, H） |
| 处理轮数 | 4 轮（每轮 16 次操作） | 64 轮 |
| 非线性函数 | F, G, H, I | Ch, Maj, Σ0, Σ1 |
| 常量表 | 无 | 64 个预定义常量 |
| 初始值 | A=0x67452301, B=0xEFCDAB89, C=0x98BADCFE, D=0x10325476 | A=0x6A09E667, B=0xBB67AE85, C=0x3C6EF372, D=0xA54FF53A, E=0x510E527F, F=0x9B05688C, G=0x1F83D9AB, H=0x5BE0CD19 |
| 推荐使用场景 | 非安全性场景（如文件校验） | 安全性要求高的场景（如数字签名、区块链） |
- MD5：计算速度快，但安全性不足，已被证明存在碰撞漏洞，不推荐用于安全性要求高的场景。
- SHA-256：安全性高，抗碰撞性强，是目前广泛使用的哈希算法，适合安全性要求高的场景。