SHA-3
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| 第三代安全散列算法 | |
|---|---|
| 作者 | Guido Bertoni Joan Daemen Michaël Peeters Gilles Van Assche |
| 摘要尺寸 | 任意 |
| 速度 | 当 r = 1024, c = 576 时 在 Intel Core 2 上为 12.5 cpb(每位元組周期數) |
| 结构 | 海绵函数 |
| NIST 推荐的组合 | SHA3-224 SHA3-256 SHA3-384 SHA3-512 SHAKE128 SHAKE256 |
| 摘要长度(位) | 224(SHA3-224) 256(SHA3-256) 384(SHA3-384) 512(SHA3-512) 可变长（SHAKE128/SHAKE256） |
| 内部状态 | 使用一个5×5字节长度为64位的二维矩阵，共1600位 |
| 块长度(位) | 1152 1088 832 576 |
| 最大摘要信息长度 | 不存在 |
| 重复回数 | 24 |
| 所需位操作 | 按位与，按位异或，取反和循环移位 |
| 碰撞 | 未发现 |
SHA-3第三代安全雜湊演算法(Secure Hash Algorithm 3)，之前名為Keccak（唸作/ˈkɛtʃæk/或/kɛtʃɑːk/)）演算法，[1][2][3]設計者宣稱在 Intel Core 2 的CPU上面，此演算法的效能是12.5cpb（每位元組周期數，cycles per byte）。[4]不過，在硬體實做上面，這個演算法比起其他演算法明顯的快上很多。[5]
SHA-3 在2015年8月5日由 NIST 通过 FIPS 202 正式发表。[6][7]
历史[编辑]
- Keccak 是一個加密雜湊演算法，由 Guido Bertoni，Joan Daemen，Michaël Peeters，以及Gilles Van Assche在RadioGatún上设计。
- 2012年10月2日，Keccak 被選為NIST雜湊函式競賽的勝利者[8]。SHA-3並不是要取代SHA-2，因為SHA-2目前並沒有出現明顯的弱點。由於對MD5出現成功的破解，以及對SHA-0和SHA-1出現理論上破解的方法，NIST感覺需要一個與之前演算法不同的，可替換的加密雜湊演算法，也就是現在的 SHA-3。
- 2014年，NIST 发布了 FIPS 202 的草案 "SHA-3 Standard: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions"。[9]
- 2015年8月5日，FIPS 202 最终被 NIST 批准。[10]
设计[编辑]
Keccak 使用海綿函數[11][12]，此函數會將資料與初始的內部狀態做XOR運算，這是無可避免可置換的(inevitably permuted)。在最大的版本，演算法使用的內存狀態是使用一個5×5的二維陣列，資料型態是64位元的字節，總計1600位元 。縮版的演算法使用比較小的，以2為冪次的字節大小w為1位元，總計使用25位元。除了使用較小的版本來研究加密分析攻擊，比較適中的大小(例如從w=4使用100位元，到w=32使用800位元)則提供了比較實際且輕量的替代方案。
Keccak 的置換[编辑]
置換方法是先定義字的長度為二的某次方，w = 2ℓ位元。SHA-3的主要應用使用64位元的字長，ℓ = 6。
內存狀態可以被視為5×5×w的三維陣列。令a[i][j][k]代表內存狀態的第(i×5 + j)×w + k個位元（使用小端序，little-endian，參見位元組序）。
置換函數是五個子段落(sub-round)作12+2ℓ次的迴圈，每一個子段落都相當簡單：
修改[编辑]
在整個 NIST 雜湊函數比賽裡面，參賽者允許稍微修改演算法解決已經出現的問題。Keccak 的修改有：
- 迴圈的數目從12+ℓ變成12+2ℓ，以增加安全度。
- 填充函式使用比起上述10*1的方式更加複雜的作法。
- 吸收比率r增加到安全限制，而非向下捨入到最接近某個2的冪次。
SHA-3 範例[编辑]
- 空字串的雜湊值：
SHA3-224("") 6b4e03423667dbb73b6e15454f0eb1abd4597f9a1b078e3f5b5a6bc7 SHA3-256("") a7ffc6f8bf1ed76651c14756a061d662f580ff4de43b49fa82d80a4b80f8434a SHA3-384("") 0c63a75b845e4f7d01107d852e4c2485c51a50aaaa94fc61995e71bbee983a2ac3713831264adb47fb6bd1e058d5f004 SHA3-512("") a69f73cca23a9ac5c8b567dc185a756e97c982164fe25859e0d1dcc1475c80a615b2123af1f5f94c11e3e9402c3ac558f500199d95b6d3e301758586281dcd26 SHAKE128("", 256) 7f9c2ba4e88f827d616045507605853ed73b8093f6efbc88eb1a6eacfa66ef26 SHAKE256("", 512) 46b9dd2b0ba88d13233b3feb743eeb243fcd52ea62b81b82b50c27646ed5762fd75dc4ddd8c0f200cb05019d67b592f6fc821c49479ab48640292eacb3b7c4be
- 由於雪崩效應，即使一個很小的改變都會產出幾乎完全不同的雜湊值。舉例來說，把 dog 改成 dof：
SHAKE128("The quick brown fox jumps over the lazy dog", 256) f4202e3c5852f9182a0430fd8144f0a74b95e7417ecae17db0f8cfeed0e3e66e SHAKE128("The quick brown fox jumps over the lazy dof", 256) 853f4538be0db9621a6cea659a06c1107b1f83f02b13d18297bd39d7411cf10c
SHA 家族函数的比较[编辑]
在下面的表格中，“内部状态”指的是传递到下一个块的位数。
| 算法及其变体 | 输出长度 (位) |
内部状态大小 (位) |
块大小 (位) |
最大消息长度 (位) |
循环 | 操作 | 安全性 (位) |
示例的性能[14] (MiB/s) |
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MD5 (作为参考) |
128 | 128 (4 × 32) |
512 | 264 − 1 | 64 | 按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 232), 按位或 | <64 (已发现碰撞) |
335 | |
| SHA-0 | 160 | 160 (5 × 32) |
512 | 264 − 1 | 80 | 按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 232),按位或 | <80 (已发现碰撞) |
- | |
| SHA-1 | 160 | 160 (5 × 32) |
512 | 264 − 1 | 80 | <80 (已發現碰撞[15]) |
192 | ||
| SHA-2 | SHA-224 SHA-256 |
224 256 |
256 (8 × 32) |
512 | 264 − 1 | 64 | 按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 232), 按位或, 移位 | 是 112/128 |
139 |
| SHA-384 SHA-512 SHA-512/224 SHA-512/256 |
384 512 224 256 |
512 (8 × 64) |
1024 | 2128 − 1 | 80 | 按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 264), 按位或, 移位 | 是 192/256/112/128 |
154 | |
| SHA-3 | SHA3-224 SHA3-256 SHA3-384 SHA3-512 |
224 256 384 512 |
1600 (5 × 5 × 64) |
1152 1088 832 576 |
无限制 | 24 | 按位与, 按位异或, 循环移位, 取反 | 是 112/128/192/256 |
- |
| SHAKE128 SHAKE256 |
d (可变长) d (可变长) |
1344 1088 |
是 min (d/2, 128) min (d/2, 256) |
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參考資料[编辑]
- ^ NIST Selects Winner of Secure Hash Algorithm (SHA-3) Competition. NIST. 2012-10-02 [2012-10-02].
- ^ Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters and Gilles Van Assche. The Keccak sponge function family: Specifications summary. [2011-05-11].
- ^ Keccak: The New SHA-3 Encryption Standard. Dr. Dobbs.
- ^ Keccak implementation overview Version 3.2 http://keccak.noekeon.org/Keccak-implementation-3.2.pdf
- ^ Guo, Xu; Huang, Sinan; Nazhandali, Leyla; Schaumont, Patrick, Fair and Comprehensive Performance Evaluation of 14 Second Round SHA-3 ASIC Implementations (PDF), NIST 2nd SHA-3 Candidate Conference, Aug 2010: 12 [2011-02-18]Keccak is second only to Luffa, which did not advance to the final round.
- ^ http://www.nist.gov/itl/csd/201508_sha3.cfm
- ^ http://www.nist.gov/manuscript-publication-search.cfm?pub_id=919061
- ^ NIST Selects Winner of Secure Hash Algorithm (SHA-3) Competition. NIST. 2012-10-02 [2012-10-02].
- ^ SHA-3 standardization. NIST. [2015-04-16].
- ^ National Institute of Standards and Technology. Federal Information Processing Standards: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions, etc.. Aug 5, 2015 [5 Aug 2015].
- ^ Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters and Gilles Van Assche. Sponge Functions. Ecrypt Hash Workshop 2007.
- ^ Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters and Gilles Van Assche. On the Indifferentiability of the Sponge Construction. EuroCrypt 2008.
- ^ Crypto++ 5.6.0 Benchmarks. [2013-06-13].
- ^ 在 AMD Opteron 8354 2.2 GHz 处理器上运行64位 Linux[13]
- ^ Google Security Blog - Announcing the first SHA1 collision. [2017-02-23].
外部連結[编辑]
- Keccak網站(英文)
- Keccak官方C语言代码包
- Keccak官方C++语言工具集
- A Java implementation of Keccak
- A Cryptol implementation of Keccak
- A VHDL source codes developed in the Cryptographic Engineering Research Group (CERG) at George Mason University
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