保障安全的散列算法 - SHA256

引言

SHA-256是由美国国家安全局(NSA)开发的SHA-2密码哈希函数之一，用于数字签名和区块链。在计算机科学和信息安全领域，SHA-256 (安全哈希算法 256位) 是广受欢迎且常被使用的密码学散列函数。SHA-256 产生一个唯一、定长的256位 (32字节)散列值，不仅可以用于密码学中信息的安全存储，还常常作为数据完整性校验的工具。

内部工作原理

SHA-256 通过一系列计算复杂的数学操作来创建信息的哈希。这些操作包括位运算、模数运算和逻辑函数。SHA-256 的工作过程分为以下主要步骤：

1. 填充位：首先，信息长度会被扩充至位数为 512 的倍数，这样可以保证信息可以被512位的块进行处理。

2. 创建信息摘要：对每一个512位的数据块，SHA-256 会进行64轮的运算，使用了一系列复杂的数学函数和常数。这些函数包括按位运算、异或、位移等。

3. 取得最后的散列值：将计算得到的所有的中间散列值进行逐位的异或运算，输出最后的散列结果。

SHA-256 对于相同输入总是产生相同的输出，任何对输入的微小修改都会引发输出结果的巨大变化，这就是所谓的"雪崩效应"。

加密示例

我们使用Python写一段通过 SHA-256 散列函数,实现一条消息的代码：

import hashlib
 
message = "Hello, World!"
hash_object = hashlib.sha256(message.encode())
hex_dig = hash_object.hexdigest()
 
print(hex_dig)

在上述代码中，首先导入 hashlib 模块，然后定义要哈希的消息。接下来，我们创建一个 SHA-256 哈希对象，并提供我们想要散列的信息。最后，我们将信息转化为16进制表示，以便更方便地存储和显示。

为什么”SHA-256 对于相同输入总是产生相同的输出“？

SHA-256 算法的关键在于它的确定性。如果你输入同样的信息，你将总是得到相同的结果。这是因为 SHA-256 是一种算法，也就是一组明确的计算步骤，这组步骤决定了如何将输入转化为输出。

这就像是一个烹饪食谱，如果你每次都使用确切相同的原料和相同的步骤，无论你做多少次，你得到的食物都应该是一样的。

当你将消息输入 SHA-256 算法时，该算法会执行一系列明确的数学操作来生成散列值。SHA-256 对每一个512位的数据块，会进行64轮明确的运算。这些运算包括位运算、逻辑函数、模数运算等。因为这些都是确定性的操作，所以对于同样的输入，它们总会得到完全相同的结果。

这就使得 SHA-256 具有一致性，对于相同的输入，它总会输出相同的哈希值，无论这个输入被运行多少次。这是密码学散列函数的一项重要特性。

Sha256 算法解释

读到这里，你是否还是不理解Sha256的工作原理呢？那么试着用图形语言去理解它！

多明戈·马丁（Domingo Martin）创作了一个网站叫“ Sha256算法解释”，这个网站很好地用图形语言展示了使用SHA-256生成哈希值的计算过程，SHA-256在SHA-2中特别使用。

在顶部的输入字段中输入您喜欢的字符串。这一次，我输入了csdn.net的URL。然后，将输入的 URL 转换为二进制数据。消息块由 32 位 x 16 行 = 512 位表示。

单击右上角的红色播放按钮，进入一个计算步骤。首先，基于由输入字符串的二进制文件组成的消息块，生成 32 位 x 64 行 = 2048 位的消息调度。

这个区块是SHA-256算法中用到的σ小写函数的表现形式。σ小写函数有σ0和σ1两种。对于SHA-256算法中的每一轮操作，σ0函数用于在第15轮到第64轮的计算中，σ1函数用于第16轮到第64轮的计算。σ函数是SHA-256算法的主要组成部分，也是SHA-256算法的核心部分之一，主要用于对数据进行位运算。

这里W8、W21、W7、W16、W23分别表示输入的消息数据块的第8个、第21个、第7个、第16个、第23个字（块），这些字都是32位的。

下面是位运算的详细解释：

1. 右旋转：右旋转7位，右旋转18位和右移3位是对输入W8进行的操作，结果代表σ0的运算结果。右旋转的意思是将二进制序列向右移动指定的位数，并将移出的位数补到序列的左端。

2. 右移：右移3位是将二进制序列直接向右移动3位，移出的位数丢弃，左端补0。

3. 位异或：位异或操作是将两个位进行比较，如果两个位不同，则结果为1，否则结果为0。在这里，σ0和σ1函数的大部分工作就在这里，σ0函数对右旋转7位、右旋转18位和右移3位的结果进行位异或运算。

同样的，右旋转17位、右旋转19位和右移10位是对输入W21进行的操作，结果代表σ1的运算结果。

接着，W7、σ0、W16、σ1、W23五个32位的二进制数进行相加（位相加操作遵循二进制加法原理，考虑进位问题），结果作为计算W（i + 16）的一部分。这样就完成了SHA-256的一轮运算中的一部分。

按顶部的顺序进行此计算，将生成消息调度。

当生成所有 32 位 x 64 行的消息调度时，它看起来像这样。

然后从消息调度中计算哈希。与消息调度结合的'工作变量'a到h是组成哈希的八个变量。这八个变量的初始值设置为固定的初始哈希值。在SHA-256中，用演变出来的2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 和 19这八个质数的平方根的二进制作为初始哈希值。

计算比较复杂，但哈希计算基本上使用了循环移位和异或，就像消息调度生成时一样。一个计算新的哈希变量a到h从消息调度和哈希变量的特定行并覆盖它们的机制。

计算从消息调度的顶部开始按顺序执行，最终的哈希变量转换为十六进制十六进制并排列，并以 256 位哈希汇总。SHA-256哈希是基于原始数据的二进制数据，通过重复复杂的计算而得到的，从哈希中恢复原始数据是极其困难的。

应用场景

SHA-256 在许多不同的领域都有广泛的应用，尤其在信息安全和数据完整性验证方面。例如：在芯片通信、电子资金转账、数字签名、密码存储、区块链技术和数据备份中的应用。

SHA-256 是许多加密协议和安全标准的基础，例如在TLS和SSL协议中用于握手过程，并被用于IPSec中保障网络连接的安全。

值得注意的是：SHA-256 是许多加密货币，特别是比特币的核心组成部分。比特币的工作机制就是SHA-256散列函数，因为其在保障数据不可篡改和验证方面的作用。

结论

理解和使用 SHA-256 对于网络安全和密码学非常关键。不仅如此，基于 SHA-256，我们还可以实现许多其他的密码学应用，比如数字签名和证书。