SHA-256算法的原理与C/C++实现

一、原理

SHA-256 是一种加密哈希函数，旨在将任意大小的数据映射到一个固定大小的哈希值，通常是 256 位（32 字节）。它属于 SHA-2（安全哈希算法 2）家族，旨在提供更高的安全性。

SHA-256 的设计原则包括以下关键步骤：

• 消息填充：输入消息的位数必须是 512 的倍数。因此，第一步是对输入消息进行填充。填充包括在消息末尾附加一个 '1'，然后追加足够的零，使消息长度对 512 取模后余 448。
• 追加消息长度：填充后，将原始的 64 位消息长度追加到消息的末尾。这确保了哈希值受到消息长度的影响，增强了安全性。
• 哈希值的初始化：SHA-256 使用 8 个 32 位字作为初始哈希值。这些值是使用前 8 个素数的平方根的小数部分来设置的。
• 消息分块：对填充后的消息分为 512 位的块，每个块包含 16 个 32 位字。
• 消息调度：依次处理每个块，生成 64 个扩展的 32 位字。这些字大部分基于之前的字和哈希值，通过一系列逻辑函数和位运算计算得出。
• 压缩函数：SHA-256 使用一种包含 64 轮的压缩函数，每一轮应用不同的逻辑函数和常数。每一轮都会修改哈希值的不同部分，引入新的数据。
• 最终哈希值：处理完所有块后，最终的 8 个 32 位字被连接起来形成 256 位的哈希值。

二、C/C++实现

SHA-256.h

#pragma once
#ifndef SHA_256_H
#define SHA_256_H
 
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
 
typedef struct hash_context {
    uint8_t buffer[64];
    uint32_t state[8];
    uint32_t total[2];
} hash_context;
 
void hash_start(hash_context* ctx);
void hash_update(hash_context* ctx, uint8_t* input, size_t ilen);
void hash_finish(hash_context* ctx, uint8_t* output);
static void sha256_transform(hash_context* ctx, const uint8_t data[]);
 
#endif // SHA_256_H

SHA-256.cpp

#include <cstdint>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <time.h>
#include <cstdlib>
#include "SHA-256.h"
using namespace std;
 
typedef unsigned int uint32_t;
typedef unsigned char uint8_t;
 
//typedef struct hash_context {
//    uint8_t buffer[64];
//    uint32_t state[8];
//    uint32_t total[2];
//} hash_context;
 
// SHA-256 算法的宏定义
#define ROTRIGHT(word, bits) (((word) >> (bits)) | ((word) << (32 - (bits))))
#define CH(x, y, z) (((x) & (y)) ^ (~(x) & (z)))
#define MAJ(x, y, z) (((x) & (y)) ^ ((x) & (z)) ^ ((y) & (z)))
#define EP0(x) (ROTRIGHT(x, 2) ^ ROTRIGHT(x, 13) ^ ROTRIGHT(x, 22))
#define EP1(x) (ROTRIGHT(x, 6) ^ ROTRIGHT(x, 11) ^ ROTRIGHT(x, 25))
#define SIG0(x) (ROTRIGHT(x, 7) ^ ROTRIGHT(x, 18) ^ ((x) >> 3))
#define SIG1(x) (ROTRIGHT(x, 17) ^ ROTRIGHT(x, 19) ^ ((x) >> 10))
 
// SHA-256 常量
static const uint32_t K[64] = {
    0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5,
    0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5,
    0xd807aa98, 0x12835b01, 0x243185be, 0x550c7dc3,
    0x72be5d74, 0x80deb1fe, 0x9bdc06a7, 0xc19bf174,
    0xe49b69c1, 0xefbe4786, 0x0fc19dc6, 0x240ca1cc,
    0x2de92c6f, 0x4a7484aa, 0x5cb0a9dc, 0x76f988da,
    0x983e5152, 0xa831c66d, 0xb00327c8, 0xbf597fc7,
    0xc6e00bf3, 0xd5a79147, 0x06ca6351, 0x14292967,
    0x27b70a85, 0x2e1b2138, 0x4d2c6dfc, 0x53380d13,
    0x650a7354, 0x766a0abb, 0x81c2c92e, 0x92722c85,
    0xa2bfe8a1, 0xa81a664b, 0xc24b8b70, 0xc76c51a3,
    0xd192e819, 0xd6990624, 0xf40e3585, 0x106aa070,
    0x19a4c116, 0x1e376c08, 0x2748774c, 0x34b0bcb5,
    0x391c0cb3, 0x4ed8aa4a, 0x5b9cca4f, 0x682e6ff3,
    0x748f82ee, 0x78a5636f, 0x84c87814, 0x8cc70208,
    0x90befffa, 0xa4506ceb, 0xbef9a3f7, 0xc67178f2
};
 
 函数声明
//void hash_start(hash_context* ctx);
//void hash_update(hash_context* ctx, uint8_t* input, size_t ilen);
//void hash_finish(hash_context* ctx, uint8_t* output);
//static void sha256_transform(hash_context* ctx, const uint8_t data[]);
 
 
static void sha256_transform(hash_context* ctx, const uint8_t data[]) {
    uint32_t a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, t1, t2, m[64];
 
    for (i = 0, j = 0; i < 16; ++i, j += 4)
        m[i] = (data[j] << 24) | (data[j + 1] << 16) | (data[j + 2] << 8) | (data[j + 3]);
    for (; i < 64; ++i)
        m[i] = SIG1(m[i - 2]) + m[i - 7] + SIG0(m[i - 15]) + m[i - 16];
 
    a = ctx->state[0];
    b = ctx->state[1];
    c = ctx->state[2];
    d = ctx->state[3];
    e = ctx->state[4];
    f = ctx->state[5];
    g = ctx->state[6];
    h = ctx->state[7];
 
    for (i = 0; i < 64; ++i) {
        t1 = h + EP1(e) + CH(e, f, g) + K[i] + m[i];
        t2 = EP0(a) + MAJ(a, b, c);
        h = g;
        g = f;
        f = e;
        e = d + t1;
        d = c;
        c = b;
        b = a;
        a = t1 + t2;
    }
 
    ctx->state[0] += a;
    ctx->state[1] += b;
    ctx->state[2] += c;
    ctx->state[3] += d;
    ctx->state[4] += e;
    ctx->state[5] += f;
    ctx->state[6] += g;
    ctx->state[7] += h;
}
 
void hash_start(hash_context* 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->total[0] = 0;
    ctx->total[1] = 0;
}
 
void hash_update(hash_context* ctx, uint8_t* input, size_t ilen) {
    size_t fill;
    uint32_t left;
 
    if (ilen == 0)
        return;
 
    left = ctx->total[0] & 0x3F;
    fill = 64 - left;
 
    ctx->total[0] += (uint32_t)ilen;
    ctx->total[0] &= 0xFFFFFFFF;
 
    if (ctx->total[0] < (uint32_t)ilen)
        ctx->total[1]++;
 
    if (left && ilen >= fill) {
        memcpy((void*)(ctx->buffer + left), input, fill);
        sha256_transform(ctx, ctx->buffer);
        input += fill;
        ilen -= fill;
        left = 0;
    }
 
    while (ilen >= 64) {
        sha256_transform(ctx, input);
        input += 64;
        ilen -= 64;
    }
 
    if (ilen > 0) {
        memcpy((void*)(ctx->buffer + left), input, ilen);
    }
}
 
void hash_finish(hash_context* ctx, uint8_t* output) {
    uint32_t last, padn;
    uint32_t high, low;
    uint8_t msglen[8];
    high = (ctx->total[0] >> 29) | (ctx->total[1] << 3);
    low = (ctx->total[0] << 3);
 
    msglen[0] = (uint8_t)(high >> 24);
    msglen[1] = (uint8_t)(high >> 16);
    msglen[2] = (uint8_t)(high >> 8);
    msglen[3] = (uint8_t)(high);
    msglen[4] = (uint8_t)(low >> 24);
    msglen[5] = (uint8_t)(low >> 16);
    msglen[6] = (uint8_t)(low >> 8);
    msglen[7] = (uint8_t)(low);
 
    last = ctx->total[0] & 0x3F;
    padn = (last < 56) ? (56 - last) : (120 - last);
 
    hash_update(ctx, (uint8_t*)"\x80", 1);
    hash_update(ctx, (uint8_t*)(msglen + 1), padn - 1);
    hash_update(ctx, msglen, 8);
 
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        output[i * 4] = (uint8_t)(ctx->state[i] >> 24);
        output[i * 4 + 1] = (uint8_t)(ctx->state[i] >> 16);
        output[i * 4 + 2] = (uint8_t)(ctx->state[i] >> 8);
        output[i * 4 + 3] = (uint8_t)(ctx->state[i]);
    }
}
 
 
 
/************************** 宏定义 **************************/
//#define DATA_SIZE 1073741824
#define DATA_SIZE 1073741824ULL // 将数据大小定义为 unsigned long long
#define ROUNDS 1ULL // 将循环次数定义为 unsigned long long
 
int main()
{
    hash_context ctx;
 
    uint8_t hash[32]; // SHA-256 输出长度为 32 字节
    clock_t start, end;
 
    // 初始化随机数生成器
    srand(static_cast<unsigned int>(time(NULL)));
 
    uint8_t* data = (uint8_t*)malloc(DATA_SIZE); // 分配数据缓冲区
 
    // 生成随机数据填充到 data 数组中
    for (unsigned long long i = 0; i < DATA_SIZE; i++) // 使用 unsigned long long
    {
        data[i] = rand() & 0xFF;
    }
 
    // 开始计时
    start = clock();
    for (unsigned long long i = 0; i < ROUNDS; i++) // 使用 unsigned long long
    {
        hash_start(&ctx);
        hash_update(&ctx, data, DATA_SIZE);
        hash_finish(&ctx, hash);
    }
    // 结束计时
    end = clock();
 
    // 释放分配的内存
    free(data);
 
    // 计算总运行时间和每秒处理的数据量
    double time = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;
    double computing_speed = (DATA_SIZE * ROUNDS * (unsigned long long)8 / 1000 / 1000) / time;
 
    printf("运行时间： %f seconds\n", time);
    printf("运算速度: %f Mbps\n", computing_speed);
 
    return 0;
}

三、运行结果