SHA-2

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «SHA256»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
У этого термина существуют и другие значения, см.SHA.
SHA-2
Создан 2002
Опубликован 2002
Предшественник SHA-1
Преемник Keccak
Размер хеша 224, 256, 384 или 512бит
Число раундов 64 или 80
Тип семейство хеш-функций

SHA-2(англ.Secure Hash Algorithm Version 2— безопасный алгоритм хеширования, версия 2) — семействокриптографическихалгоритмов— однонаправленныххеш-функций,включающее в себя алгоритмыSHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512, SHA-512/256иSHA-512/224.

Хеш-функции предназначены для создания «отпечатков» или «дайджестов» для сообщений произвольной длины. Применяются в различных приложениях или компонентах, связанных сзащитой информации.

История

[править|править код]

Хеш-функцииSHA-2разработаныАгентством национальной безопасности СШАи опубликованыНациональным институтом стандартов и технологийвфедеральном стандарте обработки информацииFIPS PUB 180-2в августе 2002 года[1].В этот стандарт также вошла хеш-функцияSHA-1,разработанная в 1995 году. В феврале 2004 года вFIPS PUB 180-2была добавленаSHA-224[2].В октябре 2008 года вышла новая редакция стандарта —FIPS PUB 180-3[3].В марте 2012 года вышла последняя на данный момент редакцияFIPS PUB 180-4,в которой были добавлены функцииSHA-512/256иSHA-512/224,основанные на SHA-512 (поскольку на 64-битных архитектурах SHA-512 работает быстрее, чем SHA-256)[4].

В июле 2006 года появился стандартRFC 4634«Безопасные хеш-алгоритмы США (SHAиHMAC-SHA)», описывающийSHA-1и семействоSHA-2.

Агентство национальной безопасности от лицагосударствавыпустило патент наSHA-2[5]под лицензиейRoyalty-free[6].

Алгоритм

[править|править код]

Общее описание

[править|править код]
Схема одной итерации алгоритмов SHA-2

Хеш-функции семейства SHA-2 построены на основеструктуры Меркла — Дамгора.

Исходное сообщение после дополнения разбивается на блоки, каждый блок — на 16 слов. Алгоритм пропускает каждый блок сообщения через цикл с 64 или 80 итерациями (раундами). На каждой итерации 2 слова преобразуются, функцию преобразования задают остальные слова. Результаты обработки каждого блока складываются,суммаявляется значением хеш-функции. Тем не менее, инициализация внутреннего состояния производится результатом обработки предыдущего блока. Поэтому независимо обрабатывать блоки и складывать результаты нельзя. Подробнее — см.псевдокод.

Сравнение хеш-функций

[править|править код]

В следующей таблице показаны некоторые технические характеристики различных вариантов SHA-2. «Внутреннее состояние» обозначает промежуточную хеш-сумму после обработки очередного блока данных:

Хеш-функция Длина дайджеста сообщения (бит) Длина внутреннего состояния (бит) Длина блока (бит) Максимальная
длина сообщения (бит) 		Длина слова (бит) Количество итераций в цикле Скорость (MiB/s)[7]
SHA‑256,SHA‑224 256/224 256 (8 × 32) 512 264− 1 32 64 139
SHA‑512,SHA‑384,SHA‑512/256,SHA‑512/224 512/384/256/224 512 (8 × 64) 1024 2128− 1 64 80 154

Псевдокод

[править|править код]

Псевдокод использует следующие битовые операции:

SHA-256

[править|править код]
Пояснения:
Все переменные беззнаковые, имеют размер 32 бита и при вычислениях суммируются по модулю 232
message— исходное двоичное сообщение
m— преобразованное сообщение

Инициализация переменных
(первые 32 битадробных частейквадратных корней первых восьми простых чисел [от 2 до 19]):
h0:= 0x6A09E667
h1:= 0xBB67AE85
h2:= 0x3C6EF372
h3:= 0xA54FF53A
h4:= 0x510E527F
h5:= 0x9B05688C
h6:= 0x1F83D9AB
h7:= 0x5BE0CD19

Таблица констант
(первые 32 битадробных частейкубических корней первых 64 простых чисел [от 2 до 311]):
k[0..63]:=
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

Предварительная обработка:
m:= message ǁ [единичный бит]
m:= m ǁ [kнулевых бит],гдеk— наименьшее неотрицательное число, такое, что
(L + 1 + K) mod 512 = 448, где L — число бит в сообщении (сравнима по модулю512 c 448)
m:= m ǁДлина(message)— длина исходного сообщения в битах в виде 64-битного числа
спорядком байтовот старшего к младшему

Далее сообщение обрабатывается последовательными порциями по 512 бит:
разбить сообщение на куски по 512 бит
длякаждого куска
разбить кусок на 16 слов длиной 32 бита (спорядком байтовот старшего к младшему внутри слова): w[0..15]

Сгенерировать дополнительные 48 слов:
дляiот16до63
s0:= (w[i-15]rotr7)xor(w[i-15]rotr18)xor(w[i-15]shr3)
s1:= (w[i-2]rotr17)xor(w[i-2]rotr19)xor(w[i-2]shr10)
w[i]:= w[i-16]+s0+w[i-7]+s1

Инициализация вспомогательных переменных:
a:= h0
b:= h1
c:= h2
d:= h3
e:= h4
f:= h5
g:= h6
h:= h7

Основной цикл:
дляiот0до63
Σ0:= (arotr2)xor(arotr13)xor(arotr22)
Ma:= (aandb)xor(aandc)xor(bandc)
t2:= Σ0 + Ma
Σ1:= (erotr6)xor(erotr11)xor(erotr25)
Ch:= (eandf)xor((note)andg)
t1:= h + Σ1 + Ch + k[i] + w[i]

h:= g
g:= f
f:= e
e:= d + t1
d:= c
c:= b
b:= a
a:= t1 + t2

Добавить полученные значения к ранее вычисленному результату:
h0:= h0 + a
h1:= h1 + b
h2:= h2 + c
h3:= h3 + d
h4:= h4 + e
h5:= h5 + f
h6:= h6 + g
h7:= h7 + h

Получить итоговое значение хеша:
digest = hash = h0 ǁ h1 ǁ h2 ǁ h3 ǁ h4 ǁ h5 ǁ h6 ǁ h7

SHA-224идентиченSHA-256,за исключением:

  • для инициализации переменныхh0—h7используются другие начальные значения,
  • в итоговом хеше опускается значениеh7.
Начальные значения переменныхh0—h7в SHA-224:
h0:= 0xC1059ED8
h1:= 0x367CD507
h2:= 0x3070DD17
h3:= 0xF70E5939
h4:= 0xFFC00B31
h5:= 0x68581511
h6:= 0x64F98FA7
h7:= 0xBEFA4FA4

SHA-512имеет идентичную структуру, но:

  • слова имеют длину 64 бита,
  • используется 80 раундов вместо 64,
  • сообщение разбито на чанки по 1024 бит,
  • начальные значения переменных и константы расширены до 64 бит,
  • постоянные для каждого из 80 раундов — 80 первых простых чисел,
  • сдвиг в операцияхrotrиshrпроизводится на другое число позиций.
Начальные значения переменныхh0—h7в SHA-512:
h0:= 0x6a09e667f3bcc908,
h1:= 0xbb67ae8584caa73b,
h2:= 0x3c6ef372fe94f82b,
h3:= 0xa54ff53a5f1d36f1,
h4:= 0x510e527fade682d1,
h5:= 0x9b05688c2b3e6c1f,
h6:= 0x1f83d9abfb41bd6b,
h7:= 0x5be0cd19137e2179

SHA-384 идентичен SHA-512, за исключением:

  • переменныеh0—h7имеют другие начальные значения,
  • в итоговом хеше опускаются значенияh6иh7.
Начальные значения переменныхh0—h7в SHA-384
(первые 64 бита дробных частей квадратных корней простых чисел с 9-го по 16-е [от 23 до 53]):
h0:= CBBB9D5DC1059ED8
h1:= 629A292A367CD507
h2:= 9159015A3070DD17
h3:= 152FECD8F70E5939
h4:= 67332667FFC00B31
h5:= 8EB44A8768581511
h6:= DB0C2E0D64F98FA7
h7:= 47B5481DBEFA4FA4

SHA-512/256идентичен SHA-512, за исключением:

  • переменныеh0—h7имеют другие начальные значения,
  • итоговый хеш обрезается до левых 256 бит.
Начальные значения переменныхh0—h7в SHA-512/256:
h0:= 22312194FC2BF72C
h1:= 9F555FA3C84C64C2
h2:= 2393B86B6F53B151
h3:= 963877195940EABD
h4:= 96283EE2A88EFFE3
h5:= BE5E1E2553863992
h6:= 2B0199FC2C85B8AA
h7:= 0EB72DDC81C52CA2

SHA-512/224идентичен SHA-512, за исключением:

  • переменныеh0—h7имеют другие начальные значения,
  • итоговый хеш обрезается до левых 224 бит.
Начальные значения переменныхh0—h7в SHA-512/224:
h0:= 8C3D37C819544DA2
h1:= 73E1996689DCD4D6
h2:= 1DFAB7AE32FF9C82
h3:= 679DD514582F9FCF
h4:= 0F6D2B697BD44DA8
h5:= 77E36F7304C48942
h6:= 3F9D85A86A1D36C8
h7:= 1112E6AD91D692A1

Примеры

[править|править код]

Ниже приведены примеры хешей для одинакового текста при различных версиях протоколаSHA-2.Во всех примерах подразумевается использование кодировкиASCII. 

SHA-224( "The quick brown fox jumps over the lazy dog")
= 730E109B D7A8A32B 1CB9D9A0 9AA2325D 2430587D DBC0C38B AD911525

SHA-256( "The quick brown fox jumps over the lazy dog" )
= D7A8FBB3 07D78094 69CA9ABC B0082E4F 8D5651E4 6D3CDB76 2D02D0BF 37C9E592

SHA-384( "The quick brown fox jumps over the lazy dog" )
= CA737F10 14A48F4C 0B6DD43C B177B0AF D9E51693 67544C49 4011E331 7DBF9A50
9CB1E5DC 1E85A941 BBEE3D7F 2AFBC9B1

SHA-512( "The quick brown fox jumps over the lazy dog" )
= 07E547D9 586F6A73 F73FBAC0 435ED769 51218FB7 D0C8D788 A309D785 436BBB64
2E93A252 A954F239 12547D1E 8A3B5ED6 E1BFD709 7821233F A0538F3D B854FEE6

SHA-512/256( "The quick brown fox jumps over the lazy dog" )
= DD9D67B3 71519C33 9ED8DBD2 5AF90E97 6A1EEEFD 4AD3D889 005E532F C5BEF04D

SHA-512/224( "The quick brown fox jumps over the lazy dog" )
= 944CD284 7FB54558 D4775DB0 485A5000 3111C8E5 DAA63FE7 22C6AA37

Малейшее изменение сообщения в подавляющем большинстве случаев приводит к полному изменению хеша вследствиелавинного эффекта.К примеру, при измененииdogнаcog(изменение затрагивает лишь один бит из 344 в кодируемой фразе) хеш изменится кардинально: 

SHA-256( "The quick brown fox jumps over the lazy cog" )
= E4C4D8F3 BF76B692 DE791A17 3E053211 50F7A345 B46484FE 427F6ACC 7ECC81BE

Криптоанализ

[править|править код]

Криптоанализхеш-функции подразумевает исследование устойчивости алгоритма по отношению, по меньшей мере, к следующим видам атак:

  • нахождениюколлизий,то есть разных сообщений с одинаковым хешем — от этого зависит безопасность электронной цифровой подписи с использованием данного хеш-алгоритма;
  • нахождениюпрообраза,то есть неизвестного сообщения по его хешу — от этого зависит безопасность хранения хешей паролей для целейаутентификации.

В2003 годуГилберт и Хандшух провели исследованиеSHA-2,но не нашли каких-либо уязвимостей[8].Однако в марте 2008 года индийские исследователи Сомитра Кумар Санадия и Палаш Саркар опубликовали найденные ими коллизии для 22 итерацийSHA-256иSHA-512[9].В сентябре того же года они представили метод конструирования коллизий для усечённых вариантовSHA-2(21 итерация)[10][11].Позднее были найдены методы конструирования коллизий для 31 итерацииSHA-256[12]и для 27 итерацийSHA-512[13].

Ввиду алгоритмической схожестиSHA-2сSHA-1и наличия у последней потенциальных уязвимостей принято решение, чтоSHA-3будет базироваться на совершенно ином алгоритме[14][15].2 октября 2012 года NIST утвердил в качестве SHA-3 алгоритмKeccak.

Применение и сертификация

[править|править код]

См. такжеПрименение хеширования

SHA-224,SHA-256,SHA-384,SHA-512,SHA-512/256иSHA-512/224законом США допускаются к использованию в некоторых правительственных приложениях, включая использование в рамках других криптографических алгоритмов и протоколов, для защиты информации, не имеющей грифа секретности. Стандарт также допускает использованиеSHA-2частными и коммерческими организациями[16].

Хеш-функцииSHA-2используются для проверки целостности данных и в различных криптографических схемах. На2008 годсемейство хеш-функцийSHA-2не имеет такого широкого распространения, какMD5иSHA-1[17],несмотря на обнаруженные у последних недостатки.

Некоторые примеры примененияSHA-2указаны в таблице:

Область применения Детали
S/MIME SHA-224,SHA-256,SHA-384илиSHA-512дайджесты сообщений[18]
OpenLDAP SHA-256,SHA-384илиSHA-512хешипаролей[19]
DNSSEC SHA-256дайджестыDNSKEYв протоколеDNSSEC[20]
X.509 SHA-224,SHA-256,SHA-384иSHA-512используются для созданияэлектронной цифровой подписисертификата[21]
PGP SHA-256,SHA-384,SHA-512используются для создания электронной цифровой подписи[22]
IPSec Некоторые реализации поддерживаютSHA-256в протоколахESPиIKE[23]
DSA СемействоSHA-2используется для создания электронной цифровой подписи[24]
SHACAL-2 Блочный алгоритм шифрованияSHACAL-2построен на основе хеш-функцииSHA-256
Биткойн Нахождение комбинации данных,SHA-256-хеш которых удовлетворяет оговоренному условию, являетсядоказательством выполнения работыпри эмиссии криптовалюты

Как показали исследования[25],алгоритмыSHA-2работают в 2—3 раза медленнее других популярных хеш-алгоритмовMD5,SHA-1,TigerиRIPEMD-160.

Сертификация

[править|править код]

РеализацииSHA-2,как и всех Федеральных стандартов обработки информации, могут быть сертифицированы для использования в некоторых приложениях на территории США. Сертификация происходит в рамках процедурыCryptographic Module Validation Program[англ.],которая проводится Национальным институтом стандартов и технологий США совместно с канадским Бюро безопасности связи.

На5 ноября2008 года было сертифицировано более 250 реализацийSHA-2,четыре из которых могли оперировать сообщениями с длиной в битах, не кратной восьми[26].

СертифицированоFIPSPUB 180-4,CRYPTRECиNESSIE.

См. также

[править|править код]

Примечания

[править|править код]
  1. ↑FIPS PUB 180-2(англ.).— первоначальный вариант стандарта для SHA-2. Дата обращения: 19 ноября 2008.Архивировано18 марта 2012 года.
  2. ↑FIPS PUB 180-2 with change notice(англ.).— вариант стандарта с SHA-224. Дата обращения: 19 ноября 2008.Архивировано18 марта 2012 года.
  3. ↑FIPS PUB 180-3(англ.).— редакция Secure Hash Standard от октября 2008 года. Дата обращения: 19 ноября 2008.Архивировано18 марта 2012 года.
  4. ↑FIPS PUB 180-4(англ.).— редакция Secure Hash Standard от августа 2015 года. Дата обращения: 28 августа 2015. Архивировано изоригинала26 ноября 2016 года.
  5. ↑US patent 6829355(англ.).— Device for and method of one-way cryptographic hashing. Дата обращения: 14 мая 2017.Архивировано27 июля 2016 года.
  6. ↑Licensing Declaration for US patent 6829355.(неопр.).Архивировано16 июня 2016 года.(англ.)
  7. ↑"Crypto++ 5.6.0 Benchmarks". Retrieved 2013-06-13.Дата обращения: 25 сентября 2016.Архивировано14 октября 2016 года.
  8. ↑Gilbert H.,Handschuh H.Security Analysis of SHA-256 and Sisters(англ.)//Selected Areas in Cryptography:10th Annual International Workshop, SAC 2003, Ottawa, Canada, August 14-15, 2003. Revised Papers/M. Matsui,R. J. Zuccherato— Berlin, Heidelberg, New York City, London:Springer Berlin Heidelberg,2004. — P. 175—193. — (Lecture Notes in Computer Science;Vol. 3006) —ISBN 978-3-540-21370-3— ISSN0302-9743;1611-3349—doi:10.1007/978-3-540-24654-1_13
  9. ↑Somitra Kumar Sanadhya, Palash Sarkar.22-Step Collisions for SHA-2Архивная копияот 30 марта 2010 наWayback Machine(англ.)
  10. ↑Somitra Kumar Sanadhya, Palash Sarkar.Deterministic Constructions of 21-Step Collisions for the SHA-2 Hash Family(англ.)
  11. ↑Презентация «Deterministic Constructions of 21-Step Collisions for the SHA-2 Hash Family»Архивная копияот 3 июля 2010 наWayback Machine(англ.)
  12. ↑Mendel F.,Nad T.,Schläffer M.Improving Local Collisions: New Attacks on Reduced SHA-256(англ.)//Advances in Cryptology – EUROCRYPT 2013:32nd Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Athens, Greece, May 26-30, 2013. Proceedings/T. Johansson,P. Q. Nguyen—Springer Berlin Heidelberg,2013. — P. 262—278. — 736 p. —ISBN 978-3-642-38347-2—doi:10.1007/978-3-642-38348-9_16
  13. ↑Christoph Dobraunig, Maria Eichlseder, and Florian Mendel.Analysis of SHA-512/224 and SHA-512/256(неопр.).— 2016.Архивировано15 июля 2017 года.
  14. ↑Schneier on Security: NIST Hash Workshop Liveblogging (5)Архивная копияот 7 октября 2008 наWayback Machine(англ.)
  15. ↑Hash cracked — heise SecurityАрхивная копияот 6 декабря 2008 наWayback Machine(англ.)
  16. ↑FIPS 180-2: Secure Hash Standard (SHS): 6. ApplicabilityАрхивная копияот 12 марта 2012 наWayback Machine(англ.)
  17. ↑SHA-1,SHA-256в результатах поисковой системыGoogle
  18. ↑draft-ietf-smime-sha2-08Архивная копияот 22 июня 2009 наWayback Machine(англ.):Using SHA2 Algorithms with Cryptographic Message Syntax
  19. ↑SHA-2 hash support in OpenLDAPАрхивная копияот 27 июля 2010 наWayback Machine(англ.)
  20. ↑RFC 4509:Use ofSHA-256in DNSSEC Delegation Signer (DS) Resource Records (RRs)
  21. ↑RFC 4055:Additional Algorithms and Identifiers for RSA Cryptography for use in the Internet X.509 Public Key Infrastructure Certificate and Certificate Revocation List (CRL) Profile
  22. ↑RFC 4880:OpenPGP Message Format
  23. ↑Overview of Windows Vista Service Pack 1: New StandardsАрхивная копияот 12 марта 2016 наWayback Machine(англ.)
  24. ↑FIPS-186-2Архивировано18 мая 2009 года.:Digital Signature Standard (DSS)]
  25. ↑Speed Comparison of Popular Crypto Algorithms[1]Архивная копияот 15 октября 2008 наWayback Machine(англ.)
  26. ↑SHS Validation ListАрхивная копияот 23 августа 2011 наWayback Machine(англ.)

Литература

[править|править код]
  • Лапонина О.Р.Криптографические основы безопасности.—М.:Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2004. — С. 320. —ISBN 5-9556-00020-5.
  • Нильс Фергюсон,Брюс Шнайер.Практическая криптография = Practical Cryptography: Designing and Implementing Secure Cryptographic Systems. —М.:Диалектика, 2004. — 432 с. —3000 экз.—ISBN 5-8459-0733-0,ISBN 0-4712-2357-3.
  • Анализ усечённого варианта SHA-256(недоступная ссылка)(англ.)
  • Коллизии усечённого варианта SHA-256(англ.)
  • Нелинейные атаки на усечённые варианты хеш-функций SHA-2(англ.)
  • Детерминированное конструирование коллизий для семейства хешей SHA-2 с 21 итерацией(англ.)

Ссылки

[править|править код]
Источник —https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=SHA-2&oldid=140146365