SHA-2

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 512 бит
Число раундов 64 или 80
Тип семейство хеш-функций

SHA-2 (англ. Secure Hash Algorithm Version 2 — безопасный алгоритм хеширования, версия 2) — семейство криптографических алгоритмов — однонаправленных хеш-функций, включающее в себя алгоритмы SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512, SHA-512/256 и SHA-512/224.

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

История

[править | править код]

Хеш-функции SHA-2 разработаны Агентством национальной безопасности США и опубликованы Национальным институтом стандартов и технологий в федеральном стандарте обработки информации FIPS PUB 180-2 в августе 2002 года[1]. В этот стандарт также вошла хеш-функция SHA-1, разработанная в 1995 году. В феврале 2004 года в FIPS PUB 180-2 была добавлена SHA-224[2]. В октябре 2008 года вышла новая редакция стандарта — FIPS PUB 180-3[3]. В марте 2012 года вышла последняя на данный момент редакция FIPS PUB 180-4, в которой были добавлены функции SHA-512/256 и SHA-512/224, основанные на SHA-512 (поскольку на 64-битных архитектурах SHA-512 работает быстрее, чем SHA-256)[4].

В июле 2006 года появился стандарт RFC 4634 «Безопасные хеш-алгоритмы США (SHA и HMAC-SHA)», описывающий SHA-1 и семейство SHA-2.

Агентство национальной безопасности от лица государства выпустило патент на SHA-2[5] под лицензией Royalty-free[6].

Алгоритм

[править | править код]

Общее описание

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

Хеш-функции семейства SHA-2 построены на основе структуры 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, сумма является 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 бита дробных частей квадратных 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 бита дробных частей кубических 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 [k нулевых бит], где k — наименьшее неотрицательное число, такое, что                   (L + 1 + K) mod 512 = 448, где L — число бит в сообщении (сравнима по модулю 512 c 448) m := m ǁ Длина(message) — длина исходного сообщения в битах в виде 64-битного числа             с порядком байтов от старшего к младшему  Далее сообщение обрабатывается последовательными порциями по 512 бит: разбить сообщение на куски по 512 бит для каждого куска     разбить кусок на 16 слов длиной 32 бита (с порядком байтов от старшего к младшему внутри слова): w[0..15]      Сгенерировать дополнительные 48 слов:     для i от 16 до 63         s0 := (w[i-15] rotr 7) xor (w[i-15] rotr 18) xor (w[i-15] shr 3)         s1 := (w[i-2] rotr 17) xor (w[i-2] rotr 19) xor (w[i-2] shr 10)         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:     для i от 0 до 63         Σ0 := (a rotr 2) xor (a rotr 13) xor (a rotr 22)         Ma := (a and b) xor (a and c) xor (b and c)         t2 := Σ0 + Ma         Σ1 := (e rotr 6) xor (e rotr 11) xor (e rotr 25)         Ch := (e and f) xor ((not e) and g)         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-224 идентичен SHA-256, за исключением:

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

SHA-512 имеет 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 операциях rotr и shr производится на другое число позиций.
Начальные значения переменных h0—h7 в 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:

  • переменные h0—h7 имеют другие начальные значения,
  • в итоговом хеше опускаются значения h6 и h7.
Начальные значения переменных h0—h7 в 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-512/256 идентичен SHA-512, за исключением:

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

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

  • переменные h0—h7 имеют другие начальные значения,
  • итоговый хеш обрезается до левых 224 бит.
Начальные значения переменных h0—h7 в 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 протокола SHA-2. Во всех примерах подразумевается использование кодировки ASCII. 

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 вследствие лавинного эффекта. К примеру, при изменении dog на cog (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]

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

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

В 2003 году Гилберт и Хандшух провели исследование SHA-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 итераций SHA-256 и SHA-512[9]. В сентябре того же года они представили метод конструирования коллизий для усечённых вариантов SHA-2 (21 итерация)[10][11]. Позднее были найдены методы конструирования коллизий для 31 итерации SHA-256[12] и для 27 итераций SHA-512[13].

Ввиду алгоритмической схожести SHA-2 с SHA-1 и наличия у последней потенциальных уязвимостей принято решение, что SHA-3 будет базироваться на совершенно ином алгоритме[14][15]. 2 октября 2012 года NIST утвердил в качестве SHA-3 алгоритм Keccak.

Применение и сертификация

[править | править код]

См. также Применение хеширования

SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512, SHA-512/256 и SHA-512/224 законом 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 использование SHA-2 частными и коммерческими организациями[16].

Хеш-функции SHA-2 используются для проверки целостности данных и в различных криптографических схемах. На 2008 год семейство хеш-функций SHA-2 не имеет такого широкого распространения, как MD5 и SHA-1[17], несмотря на обнаруженные у последних недостатки.

Некоторые примеры применения SHA-2 указаны в таблице:

Область применения Детали
S/MIME SHA-224, SHA-256, SHA-384 или SHA-512 дайджесты сообщений[18]
OpenLDAP SHA-256, SHA-384 или SHA-512 хеши паролей[19]
DNSSEC SHA-256 дайджесты DNSKEY в протоколе DNSSEC[20]
X.509 SHA-224, SHA-256, SHA-384 и SHA-512 используются для создания электронной цифровой подписи сертификата[21]
PGP SHA-256, SHA-384, SHA-512 используются для создания электронной цифровой подписи[22]
IPSec Некоторые реализации поддерживают SHA-256 в протоколах ESP и IKE[23]
DSA Семейство SHA-2 используется для создания электронной цифровой подписи[24]
SHACAL-2 Блочный алгоритм шифрования SHACAL-2 построен на основе хеш-функции SHA-256
Биткойн Нахождение комбинации данных, SHA-256-хеш которых удовлетворяет оговоренному условию, является доказательством выполнения работы при эмиссии криптовалюты

Как показали исследования[25], алгоритмы SHA-2 работают в 2—3 раза медленнее других популярных хеш-алгоритмов MD5, SHA-1, Tiger и RIPEMD-160.

Сертификация

[править | править код]

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

На 5 ноября 2008 года было сертифицировано более 250 реализаций SHA-2, четыре из которых могли оперировать сообщениями с длиной в битах, не кратной восьми[26].

Сертифицировано FIPS PUB 180-4, CRYPTREC и NESSIE.

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. Архивировано 18 марта 2012 года.
  2. ↑ FIPS PUB 180-2 with change notice (англ.). — вариант стандарта с SHA-224. Дата обращения: 19 ноября 2008. Архивировано 18 марта 2012 года.
  3. ↑ FIPS PUB 180-3 (англ.). — редакция Secure Hash Standard от октября 2008 года. Дата обращения: 19 ноября 2008. Архивировано 18 марта 2012 года.
  4. ↑ FIPS PUB 180-4 (англ.). — редакция Secure Hash Standard от августа 2015 года. Дата обращения: 28 августа 2015. Архивировано из оригинала 26 ноября 2016 года.
  5. ↑ US patent 6829355 (англ.). — Device for and method of one-way cryptographic hashing. Дата обращения: 14 мая 2017. Архивировано 27 июля 2016 года.
  6. ↑ Licensing Declaration for US patent 6829355. (неопр.). Архивировано 16 июня 2016 года. (англ.)
  7. ↑ "Crypto++ 5.6.0 Benchmarks". Retrieved 2013-06-13. Дата обращения: 25 сентября 2016. Архивировано 14 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 — ISSN 0302-9743; 1611-3349 — doi:10.1007/978-3-540-24654-1_13
  9. ↑ Somitra Kumar Sanadhya, Palash Sarkar. 22-Step Collisions for SHA-2 Архивная копия от 30 марта 2010 на Wayback 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 копия от 3 июля 2010 на Wayback 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. Архивировано 15 июля 2017 года.
  14. ↑ Schneier on Security: NIST Hash Workshop Liveblogging (5) Архивная копия от 7 октября 2008 на Wayback Machine (англ.)
  15. ↑ Hash cracked — heise Security Архивная копия от 6 декабря 2008 на Wayback Machine (англ.)
  16. ↑ FIPS 180-2: Secure Hash Standard (SHS): 6. Applicability Архивная копия от 12 марта 2012 на Wayback Machine (англ.)
  17. ↑ SHA-1, SHA-256 в результатах поисковой системы Google
  18. ↑ draft-ietf-smime-sha2-08 Архивная копия от 22 июня 2009 на Wayback Machine (англ.): Using SHA2 Algorithms with Cryptographic Message Syntax
  19. ↑ SHA-2 hash support in OpenLDAP Архивная копия от 27 июля 2010 на Wayback Machine (англ.)
  20. ↑ RFC 4509: Use of SHA-256 in 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 Standards Архивная копия от 12 марта 2016 на Wayback Machine (англ.)
  24. ↑ FIPS-186-2 Архивировано 18 мая 2009 года.: Digital Signature Standard (DSS)]
  25. ↑ Speed Comparison of Popular Crypto Algorithms [1] Архивная копия от 15 октября 2008 на Wayback Machine (англ.)
  26. ↑ SHS Validation List Архивная копия от 23 августа 2011 на Wayback 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