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【實驗名稱】散列算法SHA-1的實現
【實驗目的】
1、瞭解散列算法SHA-1的實現過程。
2、實現並掌握SHA-1散列算法。
【實驗原理】
安全散列算法是一個密碼散列函數家族，是FIPS所認證的安全散列算法。能計算出一個數字消息所對應到的，長度固定的字符串（又稱消息摘要）的算法。且若輸入的消息不同，它們對應到不同字符串的機率很高。
SHA-1（英語：Secure Hash Algorithm 1，中文名：安全散列算法1）是一種密碼散列函數。SHA-1可以生成一個被稱爲消息摘要的160位（20字節）散列值，散列值通常的呈現形式爲40個十六進制數。主要包括：字符轉換、補位及補長度、算法預處理、處理每個散列塊Mi等幾個步驟。
【實驗內容】
實驗內容： 使用散列算法SHA-1計算“abc”的散列值
代碼：（代碼解釋見代碼中註釋）
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
#define LL long long
//字符轉換,string轉int
void trans(string In, int* input)
{
int i, j;
int len = In.length();
for (i = 0, j = 0; i < len; i++)
{
if (i != 0 && i % 4 == 0)
{
j++;
}
//int aaa = int(In[i]);
input[j] = (input[j] << 8) + int(In[i]);
}
if (In.length() % 4 == 1)
{
input[j] = input[j] << 24;
}
else if(In.length() % 4 == 2)
{
input[j] = input[j] << 16;
}
else if (In.length() % 4 == 3)
{
input[j] = input[j] << 8;
}
}
//補位及補長度
void supplement(LL len, int *input)
{
if (len % 4 == 0)
{
input[len / 4] += 0x80000000;
}
else if (len % 4 == 1)
{
input[len / 4] += 0x00800000;
}
else if (len % 4 == 2)
{
input[len / 4] += 0x00008000;
}
else if (len % 4 == 3)
{
input[len / 4] += 0x00000080;
}
input[14] = ((8 * len) & 0xffffffff00000000) >> 8;
input[15] = (8 * len) & 0x00000000ffffffff;
}
//循環左移n位
int ROL(int a, int n)
{
//注意強制類型轉換爲無符號整數
a = ((unsigned)a >> (32 - n)) + ((unsigned)a << n);
return a;
}
//函數ft(B,C,D)
int Ft(int i, int *HH)
{
int result;
if (i >= 0 && i <= 19)
{
result = (HH[1] & HH[2]) | ((~HH[1]) & HH[3]);
}
else if (i >= 20 && i <= 39)
{
result = HH[1] ^ HH[2] ^ HH[3];
}
else if (i >= 40 && i <= 59)
{
result = (HH[1] & HH[2]) | (HH[1] & HH[3]) | (HH[2] & HH[3]);
}
else if (i >= 60 && i <= 79)
{
result = HH[1] ^ HH[2] ^ HH[3];
}
return result;
}
//常量Kt
int KT(int i)
{
int Kt[4], result;
Kt[0] = 0x5A827999;
Kt[1] = 0x6ED9EBA1;
Kt[2] = 0x8F1BBCDC;
Kt[3] = 0xCA62C1D6;
if (i >= 0 && i <= 19)
{
result = Kt[0];
}
else if (i >= 20 && i <= 39)
{
result = Kt[1];
}
else if (i >= 40 && i <= 59)
{
result = Kt[2];
}
else if (i >= 60 && i <= 79)
{
result = Kt[3];
}
return result;
}
//生成消息Wt
void WT(int i,int *Wt,int *input)
{
if (i >= 0 && i <= 15)
{
Wt[i] = input[i];
}
else
{
Wt[i] = ROL(Wt[i - 3] ^ Wt[i - 8] ^ Wt[i - 14] ^ Wt[i - 16], 1);
}
return;
}
//對散列塊進行處理
void deal(int *HH, int *input,int *H)
{
int Wt[80];
for (int i = 0; i < 80; i++)
{
int ft, kt, temp;
//計算函數Ft(B,C,D)
ft = Ft(i, HH);
//對應Kt
kt = KT(i);
//計算wt
WT(i, Wt, input);
int aaaa = ROL(HH[0], 5);
int bbbb = Wt[i];
//循環左移5位
temp = ROL(HH[0], 5) + ft + HH[4] + kt + Wt[i];
//跟新ABCDE五個寄存器
HH[4] = HH[3];
HH[3] = HH[2];
HH[2] = ROL(HH[1], 30);
HH[1] = HH[0];
HH[0] = temp;
//printf("%x %x %x %x %x\n", HH[0], HH[1], HH[2], HH[3], HH[4]);
}
//分別與H0,H1,H2,H3,H4相加
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
H[i] += HH[i];
}
}
int main()
{
//輸入
cout << "\n請輸入待散列的數據：";
string In;
cin >> In;
cout << "\n\n*****************************" << endl;
cout << "*** SHA-1散列算法計算中 ***" << endl;
cout << "*****************************\n\n" << endl;
int input[16];
memset(input, 0, sizeof(input));
//字符轉換
trans(In, input);
//補位以及補長度
supplement(In.length(), input);
//HH爲ABCDE寄存器
int HH[5] = { 0x67452301,0xEFCDAB89,0x98BADCFE,0x10325476,0xC3D2E1F0 };
//H爲初始數據塊
int H[5] = { 0x67452301,0xEFCDAB89,0x98BADCFE,0x10325476,0xC3D2E1F0 };
//對散列塊進行處理
deal(HH, input, H);
//輸出哈希結果
cout << "散列值爲：";
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
//16進制輸出
cout << hex << H[i];
}
cout << endl << endl << endl;
return 0;
}
運行演示：
在網上找了一個在線進行SHA-1散列的網站驗證結果，發現結果正確：
【小結或討論】
這一次的實驗應該說難度還是有的，這讓我回想起了之前的AES算法，如果單純從代碼實現的角度來說，兩者是有一定程度相似的，都比較考驗對每個字節甚至每一bit的操作能力，非常考驗細節，一處細小的錯誤就會導致滿盤皆輸，因爲錯誤會在算法的循環中不斷累加。不過好在之前實驗的鍛鍊，讓我更快地理解了SHA-1散列算法原理，並且編程實現了它。
雖說有了經驗，但實驗過程當然也不是一帆風順的，debug的過程是相當繁雜的，只能依靠手動計算的結果和代碼計算的結果相互對比驗證，尋找錯誤到底出在哪裏。
我印象最深的還是我在寫位移函數時留下的bug。我一開始是這樣寫的：a = (a >> (32 - n)) + (a << n); 其實這樣咋一看是沒有毛病的，後面的（32-n）位加上原先前面的n位不就是循環左移嘛。但其實在右移時，如果最高位是“1”，那麼默認是補“1”而不是補“0”，也就是說它默認是當作有符號數處理的！這個bug太過隱蔽，我是單步調試一點一點才把它找到的。所以只要加一個強制類型轉換，聲明爲無符號整數，就像這樣：a = ((unsigned)a >> (32 - n)) + ((unsigned)a << n);就成功解決了這個bug。