SHA-3（安全雜湊演算法3）

---

---

資訊安全技術的新模型被稱為SHA-3。這是一段程式碼，可以加密資訊並使其對任何沒有金鑰的人不可讀。SHA-1和SHA-2等先前版本中的基本功能與SHA-3不同。

SHA-3是稱為Keccak的一組更大的秘密程式碼工具的一部分。該小組由Guido Bertoni、Joan Daemen、Michael Peeters和Gilles Van Assche等人建立，他們在名為RadioGatun的基礎上進行了構建。他們讓Keccak執行更多操作，例如為訊息建立秘密程式碼，並在透過網際網路傳送資訊時保護資訊安全。

Keccak以一種稱為海綿構造的獨特方式工作。它就像一塊海綿，可以吸收任意數量的水（或資料），也可以擠出任意數量的水。它可以混合資料，以便在沒有金鑰的情況下沒有人能夠理解它。這使得它非常靈活和有用。

儘管SHA-3相對較新，但較舊的演算法SHA-1和SHA-2仍在使用。但如果需要，SHA-3可以直接替換它們。SHA-3的目標是使秘密程式碼更強大，並總體上更好。

對於小型訊息，有一個名為KangarooTwelve的更快版本。它可以更快地處理短訊息，並且具有特殊的設定使其工作得更好。

SHA-3系列有六個雜湊函式，其摘要（雜湊值）為128、224、256、384或512位：SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512、SHAKE128和SHAKE256。

此庫與上面列出的每種演算法相容。

• SHA3-224，28位摘要大小
• SHA3-256，32位摘要大小
• SHA3-384，48位摘要大小
• SHA3-512，64位摘要大小
• SHAKE-128
• SHAKE-256

SHA-3的歷史

Keccak演算法基於早期稱為PANAMA和RadioGatun的演算法，由Guido Bertoni、Joan Daemen、Michael Peeters和Gilles Van Assche開發。Daemen和Craig Clapp於1998年建立了PANAMA。後來，在2006年，Daemen、Peeters和Van Assche推出了RadioGatun，這是PANAMA的升級版本。

美國國家標準與技術研究院（NIST）於2006年釋出了一場競賽，以擴充套件SHA-3，這是一種廣為人知的秘密程式碼。以前的秘密演算法（如MD5、SHA-0和SHA-1）不再安全，因此為了為SHA-2提供機會，進行了此操作。

Keccak是競賽的51個參賽作品之一。在經過幾輪測試和改進後，它於2010年12月進入決賽。在競賽期間，Keccak進行了修改以提高其強度和安全性。

2012年10月2日，Keccak被選中作為競賽的支持者。NIST於2014年釋出了FIPS 202“SHA-3標準：基於置換的雜湊和可擴充套件輸出函式”的草案。該草案於2015年8月5日獲得批准，使SHA-3成為正式的雜湊標準。

SHA-3的設計

SHA-3的設計使用一種稱為海綿構造的方法。以下是它的工作原理：

• 吸收階段 - 在此步驟中，“海綿”吸收資訊。一個稱為f的轉換函式用於將每塊資料與海綿當前狀態的一部分組合。此函式重新排列狀態的元件。“速率”指的是狀態與輸入/輸出互動的程度，而“容量”指的是保持不變的狀態的程度。系統的安全性取決於其容量。
• 擠壓階段 - 在擠壓階段，轉換函式f在從狀態的同一子集中讀取輸出塊之間交替。要修改輸出的長度，請更改函式的引數。

SHA-3的內部狀態是一個單詞網格，每個單詞都有固定數量的位。此網格的大小影響演算法的整體安全性。SHA-3的不同版本允許不同的輸出長度和字大小，使其適合各種安全需求。

一些SHA-3示例（如SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384和SHA3-512）的輸出長度小於速率，因此在擠壓階段不需要額外的轉換。但是，對於SHAKE128和SHAKE256等版本（允許不同的輸出長度），需要進行更多更改才能產生所需的結果。

以下是海綿構造的工作原理概述：

• 輸入字串N用一個名為pad的函式進行填充。這確保了填充字串P的長度可以被速率r整除，表示為len(P)/r = n，其中len(P)是P的長度。
• 然後，填充字串P被分成n個連續的塊，每個塊包含r位。這些塊被標識為P₀、P₁、...和P_n-1。
• 狀態S被初始化為b個零位字串，其中b是狀態的總寬度。
• 每個塊P_i都在末尾擴充套件了一個c個零位字串，其中c等於b - r。這將建立一個長度為b的塊。然後，此擴充套件塊與當前狀態S進行異或運算。之後，將塊置換函式f應用於結果以生成新的狀態S。
• 輸出字串Z被設定為空字串。當Z的長度小於d（所需的輸出長度）時，當前狀態S的前r位將新增到Z中。如果Z仍然小於d位，則f將再次應用於S以生成新的狀態S。此操作將持續進行，直到Z達到所需的長度d。
• 最後，如果Z大於d位，則將其截斷以獲得最終結果。

在SHA-3中，內部狀態S被定義為5×5的單詞網格，每個單詞寬w位。在SHA-3中，w設定為64，總狀態大小為1600位（5×5×64 = 1600）。

但是Keccak允許各種字大小，從w = 1位開始，總狀態大小為25位。字大小的靈活性使得能夠使用較小的狀態大小測試密碼分析攻擊，以及使用從w = 8（200位）到w = 32（800位）的中間狀態大小的實際實現。

在一些SHA-3實現中，例如SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384和SHA3-512，速率r（用於吸收輸入的狀態部分）大於所需的輸出長度d。在這些情況下，在擠壓步驟期間不需要進行進一步的塊置換。相反，狀態的前d位給出了所需的雜湊輸出。

另一方面，SHAKE128 和 SHAKE256 允許任意長度的輸出。此功能在諸如最優非對稱加密填充之類的應用中非常有用，在這些應用中，輸出長度必須自定義以滿足特定要求。

SHA-3 變體的示例

假設我們有一個明文為“Tutorialspoint”，那麼根據 SHA-3 變體的雜湊值如下所示：

SHA3-224

此變體生成一個 224 位的雜湊值。“Tutorialspoint” 的雜湊值為 - b3b059b134b17b4bed361b16392b40b16648695eabbf87896c0f8e50

SHA3-256

此變體生成一個 256 位的雜湊值。“Tutorialspoint” 的雜湊值為 - a789f0a2eb3b13ec69245210b8c522bbb7c33ccb0561729697294bcd35367622

SHA3-384

此變體生成一個 384 位的雜湊值。“Tutorialspoint” 的雜湊值為 - 68ccee414159dc755f8aa17d82bd1958c956cd09ecf9a221b661c93ce7b36e40237cbadddf48a0600e1eda4ecdd87295

SHA3-512

此變體生成一個 512 位的雜湊值。“Tutorialspoint” 的雜湊值為 - fb3e821c3a16c720f1137673c6d4247f26e88889093831cf4ca2bb1ef7e0ce4566798297d891b5fae396e93fe4b7003be794e18a194e438a1c802798d0703819

SHAKE128

雜湊值：42a52efbca7de46de5ab54b443870c48

SHAKE256

雜湊值06c9b7ff87b0d9360f0a2e0d2fe58757945f79b8d7b5e7a2a14827c8d37ff570

這些變體提供了不同級別的安全性和輸出長度，以滿足各種加密需求。上述雜湊值是使用不同的 SHA-3 變體對明文“Tutorialspoint”進行的唯一表示。

此外，還有 SHAKE128 和 SHAKE256，它們允許任意長度的輸出，這使得它們適用於需要靈活雜湊長度的應用程式。

各種 SHA 函式的比較

使用 Python 實現 SHA-3

Python 程式碼計算給定訊息在各種雜湊長度（224、256、384 和 512 位）下的 SHA-3 雜湊值。因此，我們將使用 Python 的 hashlib 包，該包提供安全的雜湊和訊息摘要方法。它包含各種加密雜湊方法的實現，例如 SHA-3。它檢查長度是否為 224、256、384 或 512 位，然後使用正確的 hashlib.sha3_224()、hashlib.sha3_256()、hashlib.sha3_384() 或 hashlib.sha3_512() 函式計算雜湊值。因此，各種 SHA-3 變體的 Python 程式碼如下所示：

import hashlib

def sha3(message, length):
   if length == 224:
      return hashlib.sha3_224(message.encode()).hexdigest()
   elif length == 256:
      return hashlib.sha3_256(message.encode()).hexdigest()
   elif length == 384:
      return hashlib.sha3_384(message.encode()).hexdigest()
   elif length == 512:
      return hashlib.sha3_512(message.encode()).hexdigest()
   else:
      return "Invalid length"

message = "Tutorialspoint"
print("SHA3-224 hash:", sha3(message, 224))
print("SHA3-256 hash:", sha3(message, 256))
print("SHA3-384 hash:", sha3(message, 384))
print("SHA3-512 hash:", sha3(message, 512))

輸出

SHA3-224 hash: b3b059b134b17b4bed361b16392b40b16648695eabbf87896c0f8e50
SHA3-256 hash: a789f0a2eb3b13ec69245210b8c522bbb7c33ccb0561729697294bcd35367622
SHA3-384 hash: 68ccee414159dc755f8aa17d82bd1958c956cd09ecf9a221b661c93ce7b36e40237cbadddf48a0600e1eda4ecdd87295
SHA3-512 hash: fb3e821c3a16c720f1137673c6d4247f26e88889093831cf4ca2bb1ef7e0ce4566798297d891b5fae396e93fe4b7003be794e18a194e438a1c802798d0703819

使用 Java 實現 SHA-3

為了實現 SHA-3 變體，我們將使用 Java 上的內建類 - java.security.MessageDigest 和 java.security.NoSuchAlgorithmException。MessageDigest 類用於加密雜湊函式。它提供了 SHA-3 等演算法以進行安全雜湊。程式碼展示瞭如何使用 Java 的 MessageDigest 類計算給定不同長度訊息的 SHA-3 雜湊值。它將雜湊位元組更改為十六進位制表示形式。因此，Java 中 SHA-3 的程式碼如下所示：

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class Sha3Algorithm {
   public static String sha3(String msg, int length) throws NoSuchAlgorithmException {
      MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA3-" + length);
      byte[] hashBytes = digest.digest(msg.getBytes());
      StringBuilder hexString = new StringBuilder();
      for (byte hashByte : hashBytes) {
         String hex = Integer.toHexString(0xff & hashByte);
         if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
            hexString.append(hex);
      }
      return hexString.toString();
   }

   public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
      String msg = "Tutorialspoint";        
      System.out.println("SHA3-224 hash: " + sha3(msg, 224));
      System.out.println("SHA3-256 hash: " + sha3(msg, 256));
      System.out.println("SHA3-384 hash: " + sha3(msg, 384));
      System.out.println("SHA3-512 hash: " + sha3(msg, 512));
   }
}

輸出

SHA3-224 hash: b3b059b134b17b4bed361b16392b40b16648695eabbf87896c0f8e50
SHA3-256 hash: a789f0a2eb3b13ec69245210b8c522bbb7c33ccb0561729697294bcd35367622
SHA3-384 hash: 68ccee414159dc755f8aa17d82bd1958c956cd09ecf9a221b661c93ce7b36e40237cbadddf48a0600e1eda4ecdd87295
SHA3-512 hash: fb3e821c3a16c720f1137673c6d4247f26e88889093831cf4ca2bb1ef7e0ce4566798297d891b5fae396e93fe4b7003be794e18a194e438a1c802798d0703819