SHA-3（安全散列算法3）

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信息安全技术的新模型被称为SHA-3。这是一段代码，可以加密信息并使其对任何没有密钥的人不可读。SHA-1和SHA-2等先前版本中的基本功能与SHA-3不同。

SHA-3是称为Keccak的一组更大的秘密代码工具的一部分。该小组由Guido Bertoni、Joan Daemen、Michael Peeters和Gilles Van Assche等人创建，他们在名为RadioGatun的基础上进行了构建。他们让Keccak执行更多操作，例如为消息创建秘密代码，并在通过互联网发送信息时保护信息安全。

Keccak以一种称为海绵构造的独特方式工作。它就像一块海绵，可以吸收任意数量的水（或数据），也可以挤出任意数量的水。它可以混合数据，以便在没有密钥的情况下没有人能够理解它。这使得它非常灵活和有用。

尽管SHA-3相对较新，但较旧的算法SHA-1和SHA-2仍在使用。但如果需要，SHA-3可以直接替换它们。SHA-3的目标是使秘密代码更强大，并总体上更好。

对于小型消息，有一个名为KangarooTwelve的更快版本。它可以更快地处理短消息，并且具有特殊的设置使其工作得更好。

SHA-3系列有六个哈希函数，其摘要（哈希值）为128、224、256、384或512位：SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512、SHAKE128和SHAKE256。

此库与上面列出的每种算法兼容。

• SHA3-224，28位摘要大小
• SHA3-256，32位摘要大小
• SHA3-384，48位摘要大小
• SHA3-512，64位摘要大小
• SHAKE-128
• SHAKE-256

SHA-3的历史

Keccak算法基于早期称为PANAMA和RadioGatun的算法，由Guido Bertoni、Joan Daemen、Michael Peeters和Gilles Van Assche开发。Daemen和Craig Clapp于1998年创建了PANAMA。后来，在2006年，Daemen、Peeters和Van Assche推出了RadioGatun，这是PANAMA的升级版本。

美国国家标准与技术研究院（NIST）于2006年发布了一场竞赛，以扩展SHA-3，这是一种广为人知的秘密代码。以前的秘密算法（如MD5、SHA-0和SHA-1）不再安全，因此为了为SHA-2提供机会，进行了此操作。

Keccak是竞赛的51个参赛作品之一。在经过几轮测试和改进后，它于2010年12月进入决赛。在竞赛期间，Keccak进行了修改以提高其强度和安全性。

2012年10月2日，Keccak被选中作为竞赛的支持者。NIST于2014年发布了FIPS 202“SHA-3标准：基于置换的哈希和可扩展输出函数”的草案。该草案于2015年8月5日获得批准，使SHA-3成为正式的哈希标准。

SHA-3的设计

SHA-3的设计使用一种称为海绵构造的方法。以下是它的工作原理：

• 吸收阶段 - 在此步骤中，“海绵”吸收信息。一个称为f的转换函数用于将每块数据与海绵当前状态的一部分组合。此函数重新排列状态的组件。“速率”指的是状态与输入/输出交互的程度，而“容量”指的是保持不变的状态的程度。系统的安全性取决于其容量。
• 挤压阶段 - 在挤压阶段，转换函数f在从状态的同一子集中读取输出块之间交替。要修改输出的长度，请更改函数的参数。

SHA-3的内部状态是一个单词网格，每个单词都有固定数量的位。此网格的大小影响算法的整体安全性。SHA-3的不同版本允许不同的输出长度和字大小，使其适合各种安全需求。

一些SHA-3示例（如SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384和SHA3-512）的输出长度小于速率，因此在挤压阶段不需要额外的转换。但是，对于SHAKE128和SHAKE256等版本（允许不同的输出长度），需要进行更多更改才能产生所需的结果。

以下是海绵构造的工作原理概述：

• 输入字符串N用一个名为pad的函数进行填充。这确保了填充字符串P的长度可以被速率r整除，表示为len(P)/r = n，其中len(P)是P的长度。
• 然后，填充字符串P被分成n个连续的块，每个块包含r位。这些块被标识为P₀、P₁、...和P_n-1。
• 状态S被初始化为b个零位字符串，其中b是状态的总宽度。
• 每个块P_i都在末尾扩展了一个c个零位字符串，其中c等于b - r。这将创建一个长度为b的块。然后，此扩展块与当前状态S进行异或运算。之后，将块置换函数f应用于结果以生成新的状态S。
• 输出字符串Z被设置为空字符串。当Z的长度小于d（所需的输出长度）时，当前状态S的前r位将添加到Z中。如果Z仍然小于d位，则f将再次应用于S以生成新的状态S。此操作将持续进行，直到Z达到所需的长度d。
• 最后，如果Z大于d位，则将其截断以获得最终结果。

在SHA-3中，内部状态S被定义为5×5的单词网格，每个单词宽w位。在SHA-3中，w设置为64，总状态大小为1600位（5×5×64 = 1600）。

但是Keccak允许各种字大小，从w = 1位开始，总状态大小为25位。字大小的灵活性使得能够使用较小的状态大小测试密码分析攻击，以及使用从w = 8（200位）到w = 32（800位）的中间状态大小的实际实现。

在一些SHA-3实现中，例如SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384和SHA3-512，速率r（用于吸收输入的状态部分）大于所需的输出长度d。在这些情况下，在挤压步骤期间不需要进行进一步的块置换。相反，状态的前d位给出了所需的哈希输出。

另一方面，SHAKE128 和 SHAKE256 允许任意长度的输出。此功能在诸如最优非对称加密填充之类的应用中非常有用，在这些应用中，输出长度必须自定义以满足特定要求。

SHA-3 变体的示例

假设我们有一个明文为“Tutorialspoint”，那么根据 SHA-3 变体的哈希值如下所示：

SHA3-224

此变体生成一个 224 位的哈希值。“Tutorialspoint” 的哈希值为 - b3b059b134b17b4bed361b16392b40b16648695eabbf87896c0f8e50

SHA3-256

此变体生成一个 256 位的哈希值。“Tutorialspoint” 的哈希值为 - a789f0a2eb3b13ec69245210b8c522bbb7c33ccb0561729697294bcd35367622

SHA3-384

此变体生成一个 384 位的哈希值。“Tutorialspoint” 的哈希值为 - 68ccee414159dc755f8aa17d82bd1958c956cd09ecf9a221b661c93ce7b36e40237cbadddf48a0600e1eda4ecdd87295

SHA3-512

此变体生成一个 512 位的哈希值。“Tutorialspoint” 的哈希值为 - fb3e821c3a16c720f1137673c6d4247f26e88889093831cf4ca2bb1ef7e0ce4566798297d891b5fae396e93fe4b7003be794e18a194e438a1c802798d0703819

SHAKE128

哈希值：42a52efbca7de46de5ab54b443870c48

SHAKE256

哈希值06c9b7ff87b0d9360f0a2e0d2fe58757945f79b8d7b5e7a2a14827c8d37ff570

这些变体提供了不同级别的安全性和输出长度，以满足各种加密需求。上述哈希值是使用不同的 SHA-3 变体对明文“Tutorialspoint”进行的唯一表示。

此外，还有 SHAKE128 和 SHAKE256，它们允许任意长度的输出，这使得它们适用于需要灵活哈希长度的应用程序。

各种 SHA 函数的比较

使用 Python 实现 SHA-3

Python 代码计算给定消息在各种哈希长度（224、256、384 和 512 位）下的 SHA-3 哈希值。因此，我们将使用 Python 的 hashlib 包，该包提供安全的哈希和消息摘要方法。它包含各种加密哈希方法的实现，例如 SHA-3。它检查长度是否为 224、256、384 或 512 位，然后使用正确的 hashlib.sha3_224()、hashlib.sha3_256()、hashlib.sha3_384() 或 hashlib.sha3_512() 函数计算哈希值。因此，各种 SHA-3 变体的 Python 代码如下所示：

import hashlib

def sha3(message, length):
   if length == 224:
      return hashlib.sha3_224(message.encode()).hexdigest()
   elif length == 256:
      return hashlib.sha3_256(message.encode()).hexdigest()
   elif length == 384:
      return hashlib.sha3_384(message.encode()).hexdigest()
   elif length == 512:
      return hashlib.sha3_512(message.encode()).hexdigest()
   else:
      return "Invalid length"

message = "Tutorialspoint"
print("SHA3-224 hash:", sha3(message, 224))
print("SHA3-256 hash:", sha3(message, 256))
print("SHA3-384 hash:", sha3(message, 384))
print("SHA3-512 hash:", sha3(message, 512))

输出

SHA3-224 hash: b3b059b134b17b4bed361b16392b40b16648695eabbf87896c0f8e50
SHA3-256 hash: a789f0a2eb3b13ec69245210b8c522bbb7c33ccb0561729697294bcd35367622
SHA3-384 hash: 68ccee414159dc755f8aa17d82bd1958c956cd09ecf9a221b661c93ce7b36e40237cbadddf48a0600e1eda4ecdd87295
SHA3-512 hash: fb3e821c3a16c720f1137673c6d4247f26e88889093831cf4ca2bb1ef7e0ce4566798297d891b5fae396e93fe4b7003be794e18a194e438a1c802798d0703819

使用 Java 实现 SHA-3

为了实现 SHA-3 变体，我们将使用 Java 上的内置类 - java.security.MessageDigest 和 java.security.NoSuchAlgorithmException。MessageDigest 类用于加密哈希函数。它提供了 SHA-3 等算法以进行安全散列。代码展示了如何使用 Java 的 MessageDigest 类计算给定不同长度消息的 SHA-3 哈希值。它将哈希字节更改为十六进制表示形式。因此，Java 中 SHA-3 的代码如下所示：

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class Sha3Algorithm {
   public static String sha3(String msg, int length) throws NoSuchAlgorithmException {
      MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA3-" + length);
      byte[] hashBytes = digest.digest(msg.getBytes());
      StringBuilder hexString = new StringBuilder();
      for (byte hashByte : hashBytes) {
         String hex = Integer.toHexString(0xff & hashByte);
         if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
            hexString.append(hex);
      }
      return hexString.toString();
   }

   public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
      String msg = "Tutorialspoint";        
      System.out.println("SHA3-224 hash: " + sha3(msg, 224));
      System.out.println("SHA3-256 hash: " + sha3(msg, 256));
      System.out.println("SHA3-384 hash: " + sha3(msg, 384));
      System.out.println("SHA3-512 hash: " + sha3(msg, 512));
   }
}

输出

SHA3-224 hash: b3b059b134b17b4bed361b16392b40b16648695eabbf87896c0f8e50
SHA3-256 hash: a789f0a2eb3b13ec69245210b8c522bbb7c33ccb0561729697294bcd35367622
SHA3-384 hash: 68ccee414159dc755f8aa17d82bd1958c956cd09ecf9a221b661c93ce7b36e40237cbadddf48a0600e1eda4ecdd87295
SHA3-512 hash: fb3e821c3a16c720f1137673c6d4247f26e88889093831cf4ca2bb1ef7e0ce4566798297d891b5fae396e93fe4b7003be794e18a194e438a1c802798d0703819