关于SHA算法原理与常用实现方式

SHA算法原理与常用实现方式

什么是SHA算法？

SHA是Secure Hash Algorithm（安全哈希算法）的缩写，是一种由美国国家安全局（NSA）设计的哈希函数算法，通常用于数字签名标准（Digital Signature Standard，DSS）中。SHA算法被广泛应用于数据传输、数字签名、身份验证等领域，因为其强大的数据完整性保护能力和防篡改能力。

SHA算法原理

SHA算法的核心工作是将任意长度的消息输入，通过计算生成一个128位的密文输出。整个过程可以分为四个步骤：

1. 填充：SHA算法将输入消息先进行填充，使得填充后的消息长度为512的整数倍，常用的填充方式是将消息补0，同时在消息末尾加入一个64位的整数，表示填充前的消息长度。

2. 消息扩展：将填充后的消息切分成512位的块，再通过消息扩展函数将每个512位块扩展为80个扩展块。

3. 消息压缩：通过一系列的压缩函数计算出每个扩展块的128位哈希值，每个扩展块的哈希值在下一个扩展块计算时将参与计算，最终得到128位的摘要结果。

4. 输出：将128位的哈希值进行输出。

常用SHA算法实现方式

SHA算法有多种变体，而在实际使用中最为常用的是SHA-1、SHA-256、SHA-384和SHA-512等4个不同长度的哈希函数算法。下面简单介绍一下每种SHA算法的特点和常见应用。

SHA-1

SHA-1是一种输出长度为160位的哈希函数算法，因为其安全性已经受到攻击，现在已经逐渐被SHA-2系列所替代。SHA-1哈希值的长度比较短，不能提供比较强的数据完整性保护能力，常用于密码学签名和认证等场景。

示例1：Python中使用SHA-1算法计算一个字符串的哈希值

import hashlib

str_to_hash = "hello, world!"
sha1_obj = hashlib.sha1()      # 创建SHA-1对象
sha1_obj.update(str_to_hash.encode('utf-8'))      # 更新数据
sha1_hex = sha1_obj.hexdigest()      # 生成哈希值

print('SHA-1 哈希值：', sha1_hex)

SHA-256

SHA-256是一种输出长度为256位的哈希函数算法，是SHA-2系列中最常用的算法之一。比SHA-1哈希值长度更长，具有更强的数据完整性保护能力。SHA-256常用于数字证书的生成和验证、消息摘要等场景。

示例2：Java中使用SHA-256算法计算一个字符串的哈希值

import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class SHA256Example {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
        String strToHash = "hello, world!";
        MessageDigest sha256Obj = MessageDigest.getInstance("SHA-256");      // 创建SHA-256对象
        byte[] hashBytes = sha256Obj.digest(strToHash.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));      // 计算哈希值

        // 将哈希值转换为16进制字符串输出
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (byte b : hashBytes) {
            sb.append(String.format("%02x", b));
        }
        System.out.println("SHA-256 哈希值：" + sb.toString());
    }
}

其他SHA算法的实现方式与上述相似，在具体应用中可根据需要选择不同的算法来提供相应的数据完整性保护和安全性保证。