嵌入式的单向散列算法

汽车电子技术 2023-01-20 947

描述

1、单向散列算法

单向散列算法，又称hash哈希函数，Hash函数（也称杂凑算法）就是把任意长的输入消息串变化成固定长的输出串的一种函数，该过程是不可逆的。Hash函数可用于数字签名、消息的完整性检测、消息起源的认证检测等。较为常用的方法包括MD算法和SHA算法。

1.1 MD（Message Digest）消息摘要算法

MD系列算法分为MD2、MD4、MD5三种算法，最常用的是MD5版本算法，用来把不同长度的数据块进行暗码运算成一个128位的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。

应用场景：嵌入式系统开发中，MD5一般用于校验文件的完整性，如通过网络下载的文件，可能缺少部分或者被篡改，通过计算实际接收文件的MD5码，与原始MD5比较，判断文件是否正确。在密码存储方面，将用户输入的明文密码转成MD5码保存，后期应用只匹配比较MD5码，这样即使后台管理员也无法查看到真实密码。

具体算法可以参考 [ 嵌入式算法9---MD5的应用与实现 ]

1.2 SHA（Secure Hash Algorithm）安全散列算法

SHA是一个密码散列函数家族，SHA算法主要分为SHA-1、SHA-2、SHA-3 三大类，一般使用SHA-2算法，主要有SHA-256、SHA-512、SHA-224、SHA-384四种，对于嵌入式一般选择SHA256，将任意长度的输入压缩成256位，且哈希碰撞的概率近乎为0。

应用场景：数字签名、数字时间戳、数字证书。

1.3 MAC（Message Authentication Code）消息认证码

对称加密算法是为了保证数据的机密性，hash算法是为了验证数据的完整性，而MAC算法既可以验证数据的完整性，又可以验证数据是否被篡改。似乎嵌入式开发中少见。

2、SHA256

一般嵌入式系统签名或者校验复杂版使用SHA256，也就是长度小于2^64字节的任意数据，经过哈希运算得到256比特的消息摘要。

2.1 源码

SHA256源码如下：

#include "stdlib.h"

//sha256.h
#define SHA256_BLOCK_SIZE 32 //SHA 256bits = 32Bytes

typedef unsigned char uint8_t; 
typedef unsigned int  uint32_t;

typedef struct
{
    uint8_t data[64];
    uint32_t datalen;
    unsigned long long bitlen;
    uint32_t state[8];
} sha256_ctx_t;

//api
extern void sha256_init(sha256_ctx_t *ctx);
extern void sha256_update(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t data[], uint32_t len);
extern void sha256_final(sha256_ctx_t *ctx, uint8_t hash[]);

//sha256.c
/****************************** MACROS ******************************/
#define ROTLEFT(a,b) (((a) << (b)) | ((a) >> (32-(b))))
#define ROTRIGHT(a,b) (((a) >> (b)) | ((a) << (32-(b))))

#define CH(x,y,z) (((x) & (y)) ^ (~(x) & (z)))
#define MAJ(x,y,z) (((x) & (y)) ^ ((x) & (z)) ^ ((y) & (z)))
#define EP0(x) (ROTRIGHT(x,2) ^ ROTRIGHT(x,13) ^ ROTRIGHT(x,22))
#define EP1(x) (ROTRIGHT(x,6) ^ ROTRIGHT(x,11) ^ ROTRIGHT(x,25))
#define SIG0(x) (ROTRIGHT(x,7) ^ ROTRIGHT(x,18) ^ ((x) >> 3))
#define SIG1(x) (ROTRIGHT(x,17) ^ ROTRIGHT(x,19) ^ ((x) >> 10))

/**************************** VARIABLES *****************************/
static const uint32_t k[64] =
{
    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
};


static void sha256_transform(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t data[])
{
    uint32_t a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, t1, t2, m[64];

    for(i = 0, j = 0; i < 16; ++i, j += 4)
    {
        m[i] = (data[j] << 24) | (data[j + 1] << 16) | (data[j + 2] << 8) | (data[j + 3]);
    }
    for(; i < 64; ++i)
    {
        m[i] = SIG1(m[i - 2]) + m[i - 7] + SIG0(m[i - 15]) + m[i - 16];
    }

    a = ctx->state[0];
    b = ctx->state[1];
    c = ctx->state[2];
    d = ctx->state[3];
    e = ctx->state[4];
    f = ctx->state[5];
    g = ctx->state[6];
    h = ctx->state[7];

    for(i = 0; i < 64; ++i)
    {
        t1 = h + EP1(e) + CH(e, f, g) + k[i] + m[i];
        t2 = EP0(a) + MAJ(a, b, c);
        h = g;
        g = f;
        f = e;
        e = d + t1;
        d = c;
        c = b;
        b = a;
        a = t1 + t2;
    }

    ctx->state[0] += a;
    ctx->state[1] += b;
    ctx->state[2] += c;
    ctx->state[3] += d;
    ctx->state[4] += e;
    ctx->state[5] += f;
    ctx->state[6] += g;
    ctx->state[7] += h;
}

void sha256_init(sha256_ctx_t *ctx)
{
    ctx->datalen = 0;
    ctx->bitlen = 0;
    ctx->state[0] = 0x6a09e667;
    ctx->state[1] = 0xbb67ae85;
    ctx->state[2] = 0x3c6ef372;
    ctx->state[3] = 0xa54ff53a;
    ctx->state[4] = 0x510e527f;
    ctx->state[5] = 0x9b05688c;
    ctx->state[6] = 0x1f83d9ab;
    ctx->state[7] = 0x5be0cd19;
}

void sha256_update(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t data[], uint32_t len)
{
    uint32_t i;

    for(i = 0; i < len; ++i)
    {
        ctx->data[ctx->datalen] = data[i];
        ctx->datalen++;
        if(ctx->datalen == 64)
        {
            sha256_transform(ctx, ctx->data);
            ctx->bitlen += 512;
            ctx->datalen = 0;
        }
    }
}

void sha256_final(sha256_ctx_t *ctx, uint8_t hash[])
{
    uint32_t i;

    i = ctx->datalen;

    // Pad whatever data is left in the buffer.
    if(ctx->datalen < 56)
    {
        ctx->data[i++] = 0x80;
        while(i < 56)
        {
            ctx->data[i++] = 0x00;
        }
    }
    else
    {
        ctx->data[i++] = 0x80;
        while(i < 64)
        {
            ctx->data[i++] = 0x00;
        }
        sha256_transform(ctx, ctx->data);
        memset(ctx->data, 0, 56);
    }

    // Append to the padding the total message's length in bits and transform.
    ctx->bitlen += ctx->datalen * 8;
    ctx->data[63] = ctx->bitlen;
    ctx->data[62] = ctx->bitlen >> 8;
    ctx->data[61] = ctx->bitlen >> 16;
    ctx->data[60] = ctx->bitlen >> 24;
    ctx->data[59] = ctx->bitlen >> 32;
    ctx->data[58] = ctx->bitlen >> 40;
    ctx->data[57] = ctx->bitlen >> 48;
    ctx->data[56] = ctx->bitlen >> 56;
    sha256_transform(ctx, ctx->data);

    // Since this implementation uses little endian byte ordering and SHA uses big endian,
    // reverse all the bytes when copying the final state to the output hash.
    for(i = 0; i < 4; ++i)
    {
        hash[i]      = (ctx->state[0] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
        hash[i + 4]  = (ctx->state[1] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
        hash[i + 8]  = (ctx->state[2] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
        hash[i + 12] = (ctx->state[3] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
        hash[i + 16] = (ctx->state[4] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
        hash[i + 20] = (ctx->state[5] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
        hash[i + 24] = (ctx->state[6] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
        hash[i + 28] = (ctx->state[7] >> (24 - i * 8)) & 0x000000ff;
    }
}
/***********************************************************************/
//test
void log(char *head, uint8_t *data, uint8_t len)
{
    uint8_t i;
    printf("%s:", head);
    for(i = 0; i < len; i++)
    {
        printf("%02X ", data[i]);
    }
    printf("\\r\\n");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    uint8_t buff1[] = {"embedded-system"};
    uint8_t buff2[] = {0x00, 0x65, 0x00, 0x6D, 0x00, 0x62, 0x00, 0x65, 0x00, 0x64, 0x00, 0x64, 0x00, 0x65, \\
                       0x00, 0x64, 0x00, 0x2D, 0x00, 0x73, 0x00, 0x79, 0x00, 0x73, 0x00, 0x74, 0x00, 0x65, 0x00, 0x6D
                      };
    uint8_t sha256_result[32] = {0};

    sha256_ctx_t sha;
    sha256_init(&sha);
    sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1));
    sha256_final(&sha, sha256_result);
    log("buff1   sha256", sha256_result, 32);

    sha256_init(&sha);
    sha256_update(&sha, buff2, sizeof(buff2));
    sha256_final(&sha, sha256_result);
    log("buff2   sha256", sha256_result, 32);

    sha256_init(&sha);
    sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1));
    sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1));
    sha256_update(&sha, buff1, strlen(buff1));
    sha256_final(&sha, sha256_result);
    log("buff1*3 sha256", sha256_result, 32);

    return 0;
}

2.2 应用

对嵌入式系统，在RAM空间有限的情况下，对较长的数据进行运算，SHA256是可以分段多次传入数据的。如上使用范例第3段所示。一般用于校验密钥或文件是否传输错误或被篡改。

3、 SHA256与MD5比较

一般嵌入式系统使用的单向散列函数是MD5和SHA256。两者都是实现对任意长度输入，经运算输出固定长度的摘要数据。

无限多可能的输入数据转换成了数量有限的输出值，理论上是会出现两个不同的输入值运算结果相同，这种情况称为碰撞，即不同的消息产生同一个散列值的情况。

MD5是输出128比特的散列值，而SHA256是256比特；可见SHA256的安全性略高，但其运算耗时也多。

具体应用选择哪种并没太严格的标准。

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