【密码学】SHA-1加密原理及其Java实现
简介
安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）主要适⽤于数字签名标准（DSS，Digital Signature Standard）⾥⾯定义的数字签名算法（DSA，Digital Signature Algorithm）
对于长度⼩于2^64位的消息，SHA1会产⽣⼀个160位的消息摘要。当接收到消息的时候，这个消息摘要可以⽤来验证数据的完整性。在传输的过程中，数据很可能会发⽣变化，那么这时候就会产⽣不同的消息摘要
SHA1有如下特性：
不可以从消息摘要中复原信息java源代码加密
两个不同的消息不会产⽣同样的消息摘要
发展历史
SHA-1算法的原理基于MD4和MD5消息摘要算法的设计原理，但是具有更保守的设计。
SHA-1是美国政府Capstone项⽬的⼀部分。该算法的原始规范于1993年以美国政府标准机构NIST（国家标准与技术研究所）的标题《Secure Hash Standard》出版。这个版本通常称为SHA-0。它在出版后不久被国家安全局撤回，并在1995年由SHA-1取代。
SHA-1与SHA-0的不同之处仅在于，其压缩功能的消息调度中单个按位旋转。根据国家安全局的说法，这是为了纠正原始算法中的缺陷，增强了其加密安全性，但没有提供任何进⼀步的解释。不过确实有公开技术能攻击SHA-0。
应⽤
密码体系
SHA-1构成了许多⼴泛使⽤的安全应⽤和协议的⼀部分，包括TLS和SSL，PGP，SSH，S / MIME和IPsec。这些应⽤程序也可以使⽤MD5（MD5和SHA-1均来⾃MD4）。
分布式版本控制系统（如Git，Mercurial和Monotone）也使⽤SHA-1散列来识别修订，并检测数据损坏或篡改。该算法也被⽤于任天堂的Wii游戏控制台，以便在引导时进⾏签名验证，但在固件的第⼀次实验中，存在允许攻击者绕过系统的安全性⽅案的⼀个重要缺陷。
SHA-1和SHA-2是法律要求在某些美国政府应⽤中使⽤的哈希算法，包括在其他加密算法和协议中使
⽤，⽤于保护敏感的未分类信息。FIPS PUB 180-1还⿎励私营和商业组织采⽤和使⽤SHA-1。SHA-1正在从⼤多数政府⽤途中退休，美国国家标准技术研究所表⽰：“联邦机构应尽快停⽌使⽤SHA-1应⽤程序，这些应⽤程序需要抗冲突，并且必须在2010年之后使⽤SHA-2系列的哈希功能进⾏这些应⽤。”，虽然后来放松了。
⾸先推动安全散列算法出版的是已合并的数位签名标准。
SHA 散列函数已被做为 SHACAL 分组密码算法的基础。
数据完整
Git和Mercurial等版本控制系统使⽤SHA-1不是为了安全，⽽是确保数据没有因意外的损坏⽽改变。 Linus Torvald说，关于Git：
如果您有磁盘损坏，如果您有DRAM损坏，如果您有任何问题，Git会注意到它们。这不是⼀个问题，是否是⼀个保证。你可以让⼈恶意破坏，但他们不会成功。没有⼈能够破解SHA-1，但关键是SHA-1，就Git来说，甚⾄不是⼀个安全功能。它纯粹是⼀致性检查。
安全部件在别的地⽅，所以很多⼈都认为，由于Git使⽤SHA-1，SHA-1⽤于加密安全的东西，他们认为，这是⼀个巨⼤的安全功能。它与安全⽆关，只是你可以得到的最好的哈希。
我保证，如果您将数据放在Git中，您可以信任五年后，从硬盘转换为DVD到任何新技术，并将其复制的五年之后，您可以验证你收到的数据是你输⼊的完全相同的数据。
我关⼼的⼀个原因是内核，我们在BitKeeper的⼀个⽹站上有⼀个突破，⼈们试图破坏内核源代码存储库。然⽽，Git不需要SHA-1的第⼆个preimage抵抗作为⼀个安全功能，因为它总是喜欢保持对象的最早版本的情况下发⽣冲突，防⽌攻击者偷偷覆盖⽂件。
SHA加密原理
位串和整数的定义
下⾯有关位串和整数的术语将被使⽤：
1. ⼀个⼗六进制数是集合{0, 1, … , 9, A, … , F}中的元素，表⽰4-bit⼆进制串。例如：7 = 0111, A = 1010。
2. ⼀个字表⽰32-bit⼆进制串，或者是8个⼗六进制数。把⼀个字转换成⼆进制串，等价于把每⼀个⼗六进制数转换成4-bit⼆进制串。
3. 0和2 ^ 32 - 1之间的整数可以表⽰为⼀个字。整数的最低有效四位是由最右边的⼗六进制数字表⽰。⽰例：整数291 = 2^8 + 2^5
+ 2^1 + 2^0 = 256 + 32 + 2 + 1由⼗六进制字00000123表⽰。如果z是整数，0 <= z < 2^64，则z =（2^32）x + y其中0 <= x < 2^32和0 <= y < 2^32。 由于x和y可以表⽰为字X和Y，z可以表⽰为⼀对单词（X，Y）。
4. block=512-bit⼆进制串。⼀个block可以表⽰成16个字。
对字的操作
下⾯的逻辑运算符将被⽤于字操作：
1. 按位逻辑运算：
X AND Y = X和Y的逻辑“和”
X OR Y = X和Y的逻辑“或”
X XOR Y = X和Y的逻辑“异或”
NOT X = X的逻辑“补”
Example:
01101100101110011101001001111011
XOR 01100101110000010110100110110111
--------------------------------
=00001001011110001011101111001100
2. 操作X + Y定义如下：字X和Y表⽰整数x和y，其中0 <= x < 2^32和0 <= y < 2^32。对于正整数n和m，令n mod m是将n除以m的
余数。计算z =（x + y）mod 2^32。 那么0 <= z < 2^32。将z转换为字Z，并定义Z = X + Y.
3. 循环左移运算S ^ n（X），其中X是⼀个字，n是0 <= n <32的整数，由如下定义：S^n（X）=（X << n）OR（X >> 32-n）。其中
X << n：舍弃X的最左n位，然后将结果填充到右边的n个零（结果仍然是32位）。X >> n是丢弃X的最右n位，然后在左边填充n个零。因此，S^n（X）等价于X向左移动n个位置的循环移位。
消息填充
SHA-1⽤于计算作为输⼊的消息或数据⽂件的消息摘要。消息或数据⽂件应该被认为是⼀个位字符串。消息的长度是消息中的位数（空消息的长度为0）。如果消息中的位数是8的倍数，为了紧凑，可以以⼗六进制表⽰消息。
消息填充的⽬的是使填充消息的总长度为512的倍数。当计算消息摘要时，SHA-1顺序处理512位的块。作为总结，随后是“1”后⾯跟着填充的“0”，64位的消息长度附加到消息的末尾以产⽣长度为512 * n的填充消息。 然后填充的消息由SHA-1处理为n个512位块。
要求输⼊到SHA-1的消息长度为L < 2^64，消息填充步骤如下：
1. 先填充⼀个“1”。
Example：
原始消息为:
01010000
填充过后为:
010100001
2. 再填充“0”。“0”的个数由原始消息长度决定。最后64-bit⽤原始消息的长度填充。
Example:
原始字符串⽤⼆进制表⽰为：
0110000101100010011000110110010001100101.
经过第⼀步后：
01100001011000100110001101100100011001011.
如果 L = 40, 现在填充的位有41个并且还有407个"0"被填充，使得总共填充448位。现在填充后的结果⽤⼗六进制表⽰为：
61626364658000000000000000000000
00000000000000000000000000000000
00000000000000000000000000000000
0000000000000000
3. 获取原始消息长度L的⼆进制表⽰。如果L < 2^32，那么第⼀个字都是零。然后将这两个字追加到填充的消息中。
Example：
假设原始消息如2所⽰。那么L = 40（注意，L在任何填充之前计算）。40的⼗六进制为00000000 000
00028。因此，最后填充的消息是⼗六进制：
61626364 65800000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000028
对于某些n > 0，填充消息将包含16 * n个字。填充后的消息被认为是消息的n个块中的M（1），M（2），是消息的第⼀个字符（或⽐特）。
函数和常量
在SHA-1中使⽤⼀系列逻辑函数f（0），f（1），…，f（79）。 每个f（t），0 <= t <= 79，对三个32-bit字的B，C，D进⾏操作，并
产⽣32-bit字作为输出。 f（t; B，C，D）定义如下：对于B，C，D，
f(t;B,C,D) = (B AND C) OR ((NOT B) AND D) ( 0 <= t <= 19)
f(t;B,C,D) = B XOR C XOR D (20 <= t <= 39)
f(t;B,C,D) = (B AND C) OR (B AND D) OR (C AND D) (40 <= t <= 59)
f(t;B,C,D) = B XOR C XOR D (60 <= t <= 79)
⽤户SHA-1的常量K（0），K（1），…，K（79）。⽤⼗六进制表⽰为：
K(t) = 5A827999 ( 0 <= t <= 19)
K(t) = 6ED9EBA1 (20 <= t <= 39)
K(t) = 8F1BBCDC (40 <= t <= 59)
K(t) = CA62C1D6 (60 <= t <= 79)
计算消息摘要
下⾯给出了两种产⽣消息摘要的⽅法。虽然使⽤⽅法2节省了64位32位存储字，但由于步骤（c）中{W [t]}的地址计算的复杂性增加，可能会延长执⾏时间。
⽅法⼀：消息摘要使⽤如前所述填充的消息进⾏计算。使⽤两个缓冲区来描述计算，每个缓冲区由五个32位字组成，⼋个32位字序列。第⼀个5字缓冲区的字被标记为A，B，C，D，E。第⼆个5字缓冲区的字被标记为H0，H1，H2，H3，H4。80字序列的字被标记为
W（0），W（1），…，W（79）。还使⽤单个字缓冲器TEMP。为了⽣成消息摘要，按顺序处理在前⾯定义的16字块
M（1），M（2），…，M（n）。每个M（i）的处理涉及80个步骤。
H常量⽤⼗六进制表⽰为：
H0 = 67452301
H1 = EFCDAB89
H2 = 98BADCFE
H3 = 10325476
H4 = C3D2E1F0.
现在M(1), M(2), ... , M(n)已经有了。为了产⽣M(i)，有如下步骤:
a. Divide M(i) into 16 words W(0), W(1), ... , W(15), where W(0) is the left-most word.
b. For t = 16 to 79 let
W(t) = S^1(W(t-3) XOR W(t-8) XOR W(t-14) XOR W(t-16)).
c. Let A = H0, B = H1, C = H2, D = H3, E = H4.
d. For t = 0 to 79 do
TEMP = S^5(A) + f(t;B,C,D) + E + W(t) + K(t);
E = D; D = C; C = S^30(B); B = A; A = TEMP;
e. Let H0 = H0 + A, H1 = H1 + B, H2 = H2 + C, H3 = H3 + D, H4 = H4 + E.
产⽣M(n)之后，消息摘要就是160-bit串由5字H0 H1 H2 H3 H4表⽰
⽅法⼆：上述⽅法假设序列W（0），…，W（79）被实现为80个32-bit字的数组。从执⾏时间的最⼩
化的观点来看，这是有效的，因为步骤（b）中的W（t-3），…，W（t-16）的地址容易被计算。如果空间是⾮常重要的，另⼀种⽅法是将{W（t）}视为圆环队列，这可以使⽤⼗六进制数组来实现32位字W [0]，… W [15]。在这种情况下，⽤⼗六进制表⽰MASK = 0000000F。那么M（i）的处理如下：
a. Divide M(i) into 16 words W[0], ... , W[15], where W[0] is the left-most word.
b. Let A = H0, B = H1, C = H2, D = H3, E = H4.
c. For t = 0 to 79 do
s = t AND MASK;
if (t >= 16) W[s] = S^1(W[(s + 13) AND MASK] XOR W[(s + 8) AND MASK] XOR W[(s + 2) AND MASK] XOR W[s]);
TEMP = S^5(A) + f(t;B,C,D) + E + W[s] + K(t);
E = D; D = C; C = S^30(B); B = A; A = TEMP;
d. Let H0 = H0 + A, H1 = H1 + B, H2 = H2 + C, H3 = H3 + D, H4 = H4 + E.
伪代码
SHA-1算法的伪代码如下：
Note 1: 所有变量都是⽆符号的32-bit，并且都在模2^32下做运算，除了
ml，消息长度，64-bit
hh，消息摘要，160-bit
Note 2: 所有定量都是⼤端存储
每⼀个字的重要字节都存储在最左边
Initialize variables:
h0 = 0x67452301
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