sha256 C语言实现

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-12-25 03:55 303阅读 0赞

## 1. SHA256 ##

对于任意长度的消息，SHA256都会产生一个256bit长的哈希值，称作消息摘要。

这个摘要相当于是个长度为32个字节的数组，通常用一个长度为64的十六进制字符串来表示

来看一个例子：

hello world 
    这句话，经过哈希函数SHA256后得到的哈希值为：
    b94d27b9934d3e08a52e52d7da7dabfac484efe37a5380ee9088f7ace2efcde9

[在线加密][Link 1]

### 2.SHA256信息预处理 ###

SHA256算法中的预处理就是在想要Hash的消息后面补充需要的信息，使整个消息满足指定的结构。

信息的预处理分为两个步骤：`附加填充bit`和**`附加长度`**

**Step1：附加填充bit**

在报文末尾进行填充，使报文长度在对512取模以后的余数是448

填充是这样进行的：先补第一个比特为1，然后都补0，直到长度满足对512取模后余数是448。

需要注意的是，信息必须进行填充，也就是说，即使长度已经满足对512取模后余数是448，补位也必须要进行，这时要填充512个比特。

因此，填充是至少补一位，最多补512位。

**例**：以信息“abc”为例显示补位的过程。

a,b,c对应的[ASCII码][ASCII]分别是97,98,99

于是原始信息的二进制编码为：01100001 01100010 01100011

补位第一步，首先补一个“1” ： 0110000101100010 01100011 1

补位第二步,补423个“0”：01100001 01100010 01100011 10000000 00000000 … 00000000

补位完成后的数据如下（为了简介用16进制表示）：

61626380 00000000 00000000 00000000
    00000000 00000000 00000000 00000000
    00000000 00000000 00000000 00000000
    00000000 00000000

为什么是448?

因为在第一步的预处理后，第二步会再附加上一个64bit的数据，用来表示原始报文的长度信息。而448+64=512，正好拼成了一个完整的结构。

**Step2：附加长度值**

附加长度值就是将原始数据（第一步填充前的消息）的长度信息补到已经进行了填充操作的消息后面。

wiki百科中给出的原文是：*append length of message (before pre-processing), in bits, as 64-bit big-endian integer*

SHA256用一个64位的数据来表示原始消息的长度。

因此，通过SHA256计算的消息长度必须要小于2^64 ，当然绝大多数情况这足够大了。

***长度信息的编码方式为64-bit big-endian integer***

回到刚刚的例子，消息“abc”，3个字符，占用24个bit

因此，在进行了补长度的操作以后，整个消息就变成下面这样了（16进制格式）

61626380 00000000 00000000 00000000
    00000000 00000000 00000000 00000000
    00000000 00000000 00000000 00000000
    00000000 00000000 00000000 00000018

### 3.逻辑运算 ###

SHA256散列函数中涉及的操作全部是逻辑的位运算，包括六个逻辑函数：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMTc2MTE2_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>逻辑运算</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>∧ \land∧</td> 
   <td>按位“与”</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>¬ \neg¬</td> 
   <td>按位“补”</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>⊕ \oplus⊕</td> 
   <td>按位“异或”</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>S n S^{n}Sn</td> 
   <td>循环右移n个bit</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>R n R^{n}Rn</td> 
   <td>右移n个bit</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 4.计算hash ###

现在来介绍SHA256算法的主体部分，即消息摘要是如何计算的。

**首先：将消息分解成512-bit大小的块**

(break message into 512-bit chunks)

![图：：消息分为n个块1][n_1]

假设消息M可以被分解为n个块，于是整个算法需要做的就是完成n次迭代，n次迭代的结果就是最终的哈希值，即256bit的数字摘要。

一个256-bit的摘要的初始值H0，经过第一个数据块进行运算，得到H1，即完成了第一次迭代

H1经过第二个数据块得到H2，……，依次处理，最后得到Hn，**Hn即为最终的256-bit消息摘要**

将每次迭代进行的映射用 **Map(H\_\{i-1\}) = H\_\{i\}**表示，于是迭代可以更形象的展示为：

![图：：迭代过程2][2]

图中256-bit的`Hi`被描述为8个小块，这是因为SHA256算法中的最小运算单元称为“字”（Word），一个字是32位。

此外，第一次迭代中，映射的初值设置为前面介绍的8个哈希初值，如下图所示：

![图：：哈希初值3][3]

下面开始介绍每一次迭代的内容，即映射 **Map(H\_\{i-1\}) = H\_\{i\}** 的具体算法

**Step1：构造64个字（word）**

break chunk into sixteen 32-bit big-endian words w\[0\], …, w\[15\] 对于每一块，将块分解为16个32-bit的big-endian的字，记为w\[0\], …, w\[15\]

也就是说，前16个字直接由消息的第i个块分解得到，其余的字由如下迭代公式得到：

Wt=σ1(Wt−2)+Wt−7+σ0(Wt−15)+Wt−16

**Step2：进行64次循环**

映射  **Map(H\_\{i-1\}) = H\_\{i\} ** 包含了64次加密循环，即进行64次加密循环即可完成一次迭代，每次加密循环可以由下图描述：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NDQ3MDAx_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

图中，ABCDEFGH这8个字（word）在按照一定的规则进行更新，其中深蓝色方块是事先定义好的非线性逻辑函数，上文已经做过铺垫红色田字方块代表 mod  2^\{32\}  addition，即将两个数字加在一起，如果结果大于 2^\{32\} ，你必须除以 2^\{32\} 并找到余数。

ABCDEFGH一开始的初始值分别为  **H\_\{i-1\}(0),H\_\{i-1\}(1),…,H\_\{i-1\}(7) **  Kt是第t个密钥，对应我们上文提到的64个常量，Wt是本区块产生第t个word。原消息被切成固定长度512-bit的区块，对每一个区块，产生64个word，通过重复运行循环n次对ABCDEFGH这八个字循环加密。

最后一次循环所产生的八个字合起来即是第i个块对应到的散列字符串 ** H\_\{i\}  **，由此变完成了SHA256算法的所有介绍

## 5. SHA256算法代码 ##

sha256.h

#ifndef sha256_h
    #define sha256_h
    
    #include<string.h>
    #include<stdio.h>
    #include<stdint.h>
    //#include<endian.h>
    void sha256(const unsigned char *data, size_t len, unsigned char *out);
    
    #endif /* sha256_h */

sha256.c

// sha256.c
    
    #include "sha256.h"
    
    #define rightrotate(w, n) ((w >> n) | (w) << (32-(n)))
    #if __BYTE_ORDER__ == __ORDER_LITTLE_ENDIAN__
    #define copy_uint32(p, val) *((uint32_t *)p) = __builtin_bswap32((val))//gcc 内建函数__builtin_bswap32，
    #elif __BYTE_ORDER__ == __ORDER_BIG_ENDIAN__
    #define copy_uint32(p, val) *((uint32_t *)p) = (val)
    #else
    #error "Unsupported target architecture endianess!"
    #endif
    
    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
    };
    
    void sha256(const unsigned char *data, size_t len, unsigned char *out) {
        uint32_t h0 = 0x6a09e667;
        uint32_t h1 = 0xbb67ae85;
        uint32_t h2 = 0x3c6ef372;
        uint32_t h3 = 0xa54ff53a;
        uint32_t h4 = 0x510e527f;
        uint32_t h5 = 0x9b05688c;
        uint32_t h6 = 0x1f83d9ab;
        uint32_t h7 = 0x5be0cd19;
        int r = (int)(len * 8 % 512);
        int append = ((r < 448) ? (448 - r) : (448 + 512 - r)) / 8;
        size_t new_len = len + append + 8;// 原始数据+填充+64bit位数
        unsigned char buf[new_len];
        bzero(buf + len, append); //将内存（字符串）前n个字节清零<string.h>
        if (len > 0) {
            memcpy(buf, data, len);
        }
        buf[len] = (unsigned char)0x80;
        uint64_t bits_len = len * 8;
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            buf[len + append + i] = (bits_len >> ((7 - i) * 8)) & 0xff;
        }
        uint32_t w[64];
        bzero(w, 64);
        size_t chunk_len = new_len / 64; //分512bit区块
        for (int idx = 0; idx < chunk_len; idx++) {
            uint32_t val = 0;
            for (int i = 0; i < 64; i++) {//将块分解为16个32-bit的big-endian的字，记为w[0], …, w[15]
                val =  val | (*(buf + idx * 64 + i) << (8 * (3 - i)));
                if (i % 4 == 3) {
                    w[i / 4] = val;
                    val = 0;
                }
            }
            for (int i = 16; i < 64; i++) {//前16个字直接由以上消息的第i个块分解得到，其余的字由如下迭代公式得到：
                uint32_t s0 = rightrotate(w[i - 15], 7) ^ rightrotate(w[i - 15], 18) ^ (w[i - 15] >> 3);
                uint32_t s1 = rightrotate(w[i - 2], 17) ^ rightrotate(w[i - 2], 19) ^ (w[i - 2] >> 10);
                w[i] = w[i - 16] + s0 + w[i - 7] + s1;
            }
            
            uint32_t a = h0;
            uint32_t b = h1;
            uint32_t c = h2;
            uint32_t d = h3;
            uint32_t e = h4;
            uint32_t f = h5;
            uint32_t g = h6;
            uint32_t h = h7;
            for (int i = 0; i < 64; i++) {//
                uint32_t s_1 = rightrotate(e, 6) ^ rightrotate(e, 11) ^ rightrotate(e, 25);
                uint32_t ch = (e & f) ^ (~e & g);
                uint32_t temp1 = h + s_1 + ch + k[i] + w[i];
                uint32_t s_0 = rightrotate(a, 2) ^ rightrotate(a, 13) ^ rightrotate(a, 22);
                uint32_t maj = (a & b) ^ (a & c) ^ (b & c);
                uint32_t temp2 = s_0 + maj;
                h = g;
                g = f;
                f = e;
                e = d + temp1;
                d = c;
                c = b;
                b = a;
                a = temp1 + temp2;
            }
            h0 += a;
            h1 += b;
            h2 += c;
            h3 += d;
            h4 += e;
            h5 += f;
            h6 += g;
            h7 += h;
        }
    	//printf("The ho is %x\n",h0);
        copy_uint32(out, h0);
        copy_uint32(out + 1, h1);
        copy_uint32(out + 2, h2);
        copy_uint32(out + 3, h3);
        copy_uint32(out + 4, h4);
        copy_uint32(out + 5, h5);
        copy_uint32(out + 6, h6);
        copy_uint32(out + 7, h7);
    	
        /*for(int i=0;i<32;i++)
    	{
    		printf("%x",out[i]);	
    	}*/
    }

main.c

#include<stdio.h>
    #include"sha256.h"
    #include<stdlib.h>
    int main(int argc,char*argv[])
    {
    	unsigned char in[] = "hello world";
    	unsigned char buff[32];//必须带unsigned ,sha256消息摘要输出为256位,即32字节
    	memset(buff,0,32);
    	puts("start sha256 hash \n");
    	sha256(in,strlen(in),buff);
    	printf("\nThe sha256 hash is :\n");
        	for(int i=0;i<32;i++)
    	{
    
    		printf("%x",buff[i]);	
    	}
    	puts("\nend sha256 hash \n");
    	return 0;
    }

编译

gcc -o main main.c sha256.c

makefile

main:main.c sha256.c sha256.h
        gcc -o main main.c sha256.c
    clear:
        rm -rf *.o

[Link 1]: http://www.ttmd5.com/hash.php?type=9
[ASCII]: http://ascii.911cha.com/
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMTc2MTE2_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/2bb4270b1dc64ef9a098266bd1efdb3b.png
[n_1]: /images/20221120/a4ffde0371c84658896297bb57906249.png
[2]: /images/20221120/9d0912dd21844a33ade811c364210784.png
[3]: /images/20221120/cae529d7976e4f4e91f3369e44fb73fb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI3NDQ3MDAx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/c9742978e1664085a0c5cddf52e575bc.png