實驗七 SHA-1

一、實驗目的

熟悉SHA-1算法的運行過程，能夠使用C++語言編寫實現(xiàn)SHA-1算法程序，增

加對摘要函數(shù)的理解。

二、實驗要求

(1)理解SHA-1輪函數(shù)的定義和工作過程。

(2)利用VC++語言實現(xiàn)SHA- 1算法。

(3)分析SHA- 1算法運行的性能。

三、實驗原理

SHA-1對任意長度明文的分組預處理完后的明文長度是512位的整數(shù)倍，值得注意的是，SHA-1的原始報文長度不能超過2的64次方，然后SHA-1生成160位的報文摘要。SHA-1算法簡單且緊湊，容易在計算機上實現(xiàn)。圖6-1所示為SHA-1對單個512位分組的處理過程。

1.實驗環(huán)境

普通計算機Intel i5 3470@3.2GHz, 4GB RAM，Windows 7 Professional Edition, VS平臺。

2.算法實現(xiàn)步驟

1)將消息摘要轉換成位字符串

因為在SHA- 1算法中，它的輸入必須為位，所以首先要將其轉化為位字符串。以“abc”字符串來說明問題，因為'a'=97, 'b'=98, 'c'=99，所以將其轉換為位串后為01100001 01100010 01100011

2)對轉換后的位字符串進行補位操作

SHA-1算法標準規(guī)定，必須對消息摘要進行補位操作，即將輸入的數(shù)據(jù)進行填充，使得數(shù)據(jù)長度對512求余的結果為448，填充比特位的最高位補一個1,其余位補0，如果在補位之前已經(jīng)滿足對512取模余數(shù)為448，則要進行補位，在其后補一位1?？傊?#xff0c;補位是至少補一位，最多補512位。依然以“abc”為例，其補位過程如下:初始的信息摘要: 01100001 01100010 01100011第一步補位:01100001 01100010 011000111，最后一位補位: 01100001 01100010 01100011 10...0(后面補了423個0)

之后將補位操作后的信，息摘要轉換為十六進制:

61626380 00000000 00000000 00000000?00000000 00000000 00000000

00000000?00000000 00000000 00000000 00000000?00000000 00000000

3)附加長度值

在信息摘要后面附加64比特的信息，用來表示原始信息摘要的長度，在這步操作之后，信息報文便是512比特的倍數(shù)。通常來說用一個64位的數(shù)據(jù)表示原始消息的長度，如果消息長度不大于2，那么前32比特就為0，在進行附加長度值操作后，其“abc"數(shù)據(jù)報文即變成如下形式:

61 62638000000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 0000001 8

因為“abc”占3個字節(jié)，即24位，所以換算為十六進制后為0x18。

4)初始化緩存

一個160位MD緩沖區(qū)用以保存中間和最終散列函數(shù)的結果。它可以表示為5個32

位的寄存器(H0，H1，H2，H3，H4)。初始化如下:

HO = 0x67452301

H2 = 0x98BADCFE

H3 = 0x10325476

H4 = 0xC3D2E1F0

如果大家對MD-5不陌生的話，會發(fā)現(xiàn)一個重要的現(xiàn)象，其前四個與MD-5一樣，

但不同之處是存儲為Big-EndienFormat。

四、算法實現(xiàn)

(2)利用VC++語言實現(xiàn)SHA- 1算法。

#include <iostream>
#include <string>
#include <iomanip>
#include <sstream>
#include <Windows.h>
#include <wincrypt.h>// 函數(shù)聲明
std::string sha1(const std::string& input);int main() {std::string data = "Hello, SHA-1!";std::string hash = sha1(data);std::cout << "SHA-1 Hash: " << hash << std::endl;return 0;
}// SHA-1算法實現(xiàn)
std::string sha1(const std::string& input) {HCRYPTPROV hCryptProv;HCRYPTHASH hHash;BYTE rgbHash[20];DWORD cbHash = 20;if (!CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT))return "";if (!CryptCreateHash(hCryptProv, CALG_SHA1, 0, 0, &hHash)) {CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);return "";}if (!CryptHashData(hHash, (const BYTE*)input.c_str(), input.length(), 0)) {CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);CryptDestroyHash(hHash);return "";}if (!CryptGetHashParam(hHash, HP_HASHVAL, rgbHash, &cbHash, 0)) {CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);CryptDestroyHash(hHash);return "";}std::stringstream ss;for (int i = 0; i < cbHash; i++) {ss << std::hex << std::setw(2) << std::setfill('0') << (int)rgbHash[i];}CryptDestroyHash(hHash);CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);return ss.str();
}

運行結果：

(3) 分析SHA-1算法的性能:

SHA-1是一種哈希算法，通常用于數(shù)據(jù)完整性驗證和數(shù)字簽名。然而，隨著時間的推移，SHA-1的性能和安全性受到了挑戰(zhàn)，因此在實際應用中要謹慎使用。

性能分析包括以下方面：

a. 計算速度：SHA-1的計算速度通常較快，適用于快速生成哈希值。

b. 安全性：SHA-1不再被認為是安全的哈希算法，因為已經(jīng)出現(xiàn)了碰撞攻擊，可以生成兩個不同的輸入，它們產(chǎn)生相同的SHA-1哈希值。這使得SHA-1不適合用于敏感數(shù)據(jù)的加密或簽名。

c. 應用領域：SHA-1仍然可以用于一些非安全性要求嚴格的應用，例如在校驗數(shù)據(jù)完整性時。但對于需要高安全性的應用，應該選擇更安全的哈希算法，如SHA-256或SHA-3。

五、實驗心得

SHA-1是一個基于位運算和邏輯運算的哈希算法，它將輸入數(shù)據(jù)轉化為固定長度（160位）的哈希值。SHA-1在性能方面通常表現(xiàn)良好，但已不再被認為是安全的哈希算法。因此，建議在應用中使用更安全的哈希算法，特別是需要保護敏感數(shù)據(jù)的情況。SHA-256和SHA-3等算法提供了更高的安全性，可以滿足更嚴格的安全要求。在實現(xiàn)SHA-1算法時，需要將輸入字符串轉換為適當格式，并填充數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)長度滿足SHA-1算法的要求。包括位填充和附加數(shù)據(jù)長度。通過實驗我了解SHA-1算法中的各個步驟，包括信息的分塊、擴展消息、初始化哈希值、迭代運算等。這有助于更好地理解SHA-1的內部工作原理。此次實驗使我加深了對哈希算法的理解，提高了編程能力。