SHA-3

SHA-3第三代安全雜湊演算法(Secure Hash Algorithm 3),之前名為Keccak(唸作/ˈkɛtʃæk//kɛtʃɑːk/))演算法,[4][5][6]設計者宣稱在 Intel Core 2 的CPU上面,此演算法的效能是12.6位元每时钟周期(cycles per byte)[1][7]

SHA-3
(Keccak)
概述
设计者Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters, and Gilles Van Assche.
首次发布2015
系列(SHA-0), SHA-1, SHA-2, SHA-3
认证FIPS PUB 202
细节
摘要长度任意
结构海绵函数
速度在x86-64微架构的計算機上,Keccak-f [1600]加上XORing 1024位的效率大約為12.6位元每时钟周期[1],接近于SHA2-256
最佳公开破解
對Keccak-512的原像攻擊減少到8回合,需要的時間复杂度和的内存[2]。完整的24回合Keccak-f [1600]存在零和識別符,儘管它們不能用於攻擊散列函數本身[3]

SHA-3 在2015年8月5日由 NIST 通过 FIPS 202 正式发表。[8][9]

历史

  • Keccak 是一個加密雜湊演算法,由 Guido BertoniJoan DaemenMichaël Peeters,以及Gilles Van AsscheRadioGatún上设计。
  • 2012年10月2日,Keccak 被選為NIST雜湊函式競賽的勝利者[10]。SHA-2目前沒有出現明顯的弱點。由於對MD5SHA-0SHA-1出現成功的破解,NIST感覺需要一個與之前演算法不同的,可替換的加密雜湊演算法,也就是現在的 SHA-3。
  • 2014年,NIST 发布了 FIPS 202 的草案 "SHA-3 Standard: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions"。[11]
  • 2015年8月5日,FIPS 202 最终被 NIST 批准。[12]

设计

Keccak 使用海綿函數[13][14],此函數會將資料與初始的內部狀態做XOR運算,這是無可避免可置換的(inevitably permuted)。在最大的版本,演算法使用的內存狀態是使用一個5×5的二維陣列,資料型態是64位元的字節,總計1600位元 。縮版的演算法使用比較小的,以2為冪次的字節大小w為1位元,總計使用25位元。除了使用較小的版本來研究加密分析攻擊,比較適中的大小(例如從w=4使用100位元,到w=32使用800位元)則提供了比較實際且輕量的替代方案。

Keccak 的置換

置換方法是先定義的長度為二的某次方,w = 2位元。SHA-3的主要應用使用64位元的字長,ℓ = 6。

內存狀態可以被視為5×5×w的三維陣列。令a[i][j][k]代表內存狀態的第(i×5 + jw + k個位元(使用小端序,little-endian,參見位元組序)。

置換函數是五個子段落(sub-round)作12+2ℓ次的迴圈,每一個子段落都相當簡單:

修改

在整個 NIST 雜湊函數比賽裡面,參賽者允許稍微修改演算法解決已經出現的問題。Keccak 的修改有:

  • 迴圈的數目從12+ℓ變成12+2ℓ,以增加安全度。
  • 填充函式使用比起上述10*1的方式更加複雜的作法。
  • 吸收比率r增加到安全限制,而非向下捨入到最接近某個2的冪次。

SHA-3 範例

  • 空字串的雜湊值:
SHA3-224("")
6b4e03423667dbb73b6e15454f0eb1abd4597f9a1b078e3f5b5a6bc7
SHA3-256("")
a7ffc6f8bf1ed76651c14756a061d662f580ff4de43b49fa82d80a4b80f8434a
SHA3-384("")
0c63a75b845e4f7d01107d852e4c2485c51a50aaaa94fc61995e71bbee983a2ac3713831264adb47fb6bd1e058d5f004
SHA3-512("")
a69f73cca23a9ac5c8b567dc185a756e97c982164fe25859e0d1dcc1475c80a615b2123af1f5f94c11e3e9402c3ac558f500199d95b6d3e301758586281dcd26
SHAKE128("", 256)
7f9c2ba4e88f827d616045507605853ed73b8093f6efbc88eb1a6eacfa66ef26
SHAKE256("", 512)
46b9dd2b0ba88d13233b3feb743eeb243fcd52ea62b81b82b50c27646ed5762fd75dc4ddd8c0f200cb05019d67b592f6fc821c49479ab48640292eacb3b7c4be
  • 由於雪崩效应,即使一個很小的改變都會產出幾乎完全不同的雜湊值。舉例來說,把 dog 改成 dof:
SHAKE128("The quick brown fox jumps over the lazy dog", 256)
f4202e3c5852f9182a0430fd8144f0a74b95e7417ecae17db0f8cfeed0e3e66e
SHAKE128("The quick brown fox jumps over the lazy dof", 256)
853f4538be0db9621a6cea659a06c1107b1f83f02b13d18297bd39d7411cf10c

SHA 家族函数的比较

在下面的表格中,“内部状态”指的是传递到下一个块的位数。

SHA 家族函数的比较
算法及其变体 输出长度
(位)
内部状态大小
(位)
块大小
(位)
最大消息长度
(位)
循环 操作 安全性
(位)
示例的性能[16]
(MiB/s)
MD5
(作为参考)
128128
(4 × 32)
512264 − 164按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 232), 按位或<18
(已发现碰撞)
335
SHA-0160160
(5 × 32)
512264 − 180按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 232),按位或<34
(已发现碰撞)
-
SHA-1160160
(5 × 32)
512264 − 180<63
(已發現碰撞[17])
192
SHA-2SHA-224
SHA-256
224
256
256
(8 × 32)
512264 − 164按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 232), 按位或, 移位
112/128
139
SHA-384
SHA-512
SHA-512/224
SHA-512/256
384
512
224
256
512
(8 × 64)
10242128 − 180按位与, 按位异或, 循环移位, 填充(求模 264), 按位或, 移位
192/256/112/128
154
SHA-3SHA3-224
SHA3-256
SHA3-384
SHA3-512
224
256
384
512
1600
(5 × 5 × 64)
1152
1088
832
576
无限制24按位与, 按位异或, 循环移位, 取反
112/128/192/256
-
SHAKE128
SHAKE256
d (可变长)
d (可变长)
1344
1088

min (d/2, 128)
min (d/2, 256)
-

參考資料

  1. Keccak implementation overview Version 3.2 页面存档备份,存于, section 3.1
  2. Morawiecki, Paweł; Pieprzyk, Josef; Srebrny, Marian. Moriai, S , 编. (PDF). Fast Software Encryption Lecture Notes in Computer Science. Lecture Notes in Computer Science. 2013, 8424: 241–262 [2019-02-08]. ISBN 978-3-662-43932-6. doi:10.1007/978-3-662-43933-3_13. (原始内容存档 (PDF)于2013-01-08) (英语).
  3. Bertoni, Guido; Daemen, Joan; Peeters, Michaël; van Assche, Giles. (PDF). keccak.noekeon.org. January 14, 2011 [February 9, 2014]. (原始内容存档 (PDF)于2011-08-19).
  4. . NIST. 2012-10-02 [2012-10-02]. (原始内容存档于2012-10-05).
  5. Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters and Gilles Van Assche. . [2011-05-11]. (原始内容存档于2016-08-06).
  6. . Dr. Dobbs. [2016-07-24]. (原始内容存档于2016-07-14).
  7. Guo, Xu; Huang, Sinan; Nazhandali, Leyla; Schaumont, Patrick, (PDF), NIST 2nd SHA-3 Candidate Conference, Aug 2010: 12 [2011-02-18], (原始内容存档 (PDF)于2010-09-10)Keccak is second only to Luffa, which did not advance to the final round.
  8. . [2015-08-18]. (原始内容存档于2015-08-17).
  9. . [2015-08-18]. (原始内容存档于2015-08-12).
  10. . NIST. 2012-10-02 [2012-10-02]. (原始内容存档于2012-10-05).
  11. . NIST. [2015-04-16]. (原始内容存档于2015-04-05).
  12. National Institute of Standards and Technology. . Aug 5, 2015 [5 Aug 2015].
  13. Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters and Gilles Van Assche. . Ecrypt Hash Workshop 2007. [2012-10-20]. (原始内容存档于2012-09-04).
  14. Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters and Gilles Van Assche. . EuroCrypt 2008. [2012-10-20]. (原始内容存档于2012-09-04).
  15. . [2013-06-13]. (原始内容存档于2016-10-14).
  16. AMD Opteron 8354 2.2 GHz 处理器上运行64位 Linux[15]
  17. . [2017-02-23]. (原始内容存档于2017-04-24).

外部連結

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