c++ 實現SHA-512演算法
阿新 • • 發佈：2019-02-16
SHA-512演算法，輸入為 最大長度小於2^128位元的訊息，，輸出的是512位元的雜湊值，輸入資訊以1024位元的分組為單位進行處理。
首先這裡關於最大輸入值的考慮，2^128 位元太大了，在我的電腦上是不可能實現的，但為了有一定的處理大資料的能力，我使用txt檔案讀入資料，至於txt的大小是不限制的，但是每次最多隻讀取256MB大小的字串進入來進行計算，讀取256m的字串後，儲存在 unsigned long long [0x2000000]中,然後每次對這些資料進行hash，最後輸出結果。結果寫完了後發現我對從檔案中讀取並儲存資料的操作比寫的Hash函式還要麻煩，真是讓人蛋疼。
SHA-512的具體步驟如下：
1.對訊息進行填充。對原始資訊進行填充，是其長度與896模1024同餘。填充必須進行，即使訊息可能已經滿足條件，因為填充數位數 在1 - 1024之間。填充內容為一個1加後續全部為0。在這裡我用unsigned char讀取資料，則為新增一個128和若干個0.
2.然後再在填充的訊息後新增一個128位的塊，用來說明填充前訊息的長度，表示一個無符號的整數，最高有效位在前，則儲存兩個unsigned long long,顯然資料的大小不可能大於unsignedlonglong的範圍的，我讀取data.txt也是用unsigned long long 來儲存大小的，則使其第一個數存0，第二個數存TextLength即可。
3.初始化hash值，還有初始化80位的常數kt。
4.對每一個1024分組的訊息進行80輪運算。一開始先將上一組訊息得到的HashI即結果處值儲存到HashI-1即中間值上，當作新一分組的輸入值，然後對中間值進行80輪運算，得到結果再與結果值相加，得到新的結果值。
其中輪函式為下：
這裡被書上給坑了。T1 = HashI_1[7] + ((HashI_1[4] & HashI_1[5]) ^ ( (~HashI_1[4]) & HashI_1[6])) + (ROTR(HashI_1[4],14) ^ ROTR(HashI_1[4],18) ^ ROTR(HashI_1[4],41)) +W[t] + Kt[t]; T2 = (ROTR(HashI_1[0],28) ^ ROTR(HashI_1[0],34) ^ ROTR(HashI_1[0],39)) + ((HashI_1[0] & HashI_1[1]) ^ (HashI_1[0] & HashI_1[2]) ^ (HashI_1[1] & HashI_1[2])); HashI_1[7] = HashI_1[6]; HashI_1[6] = HashI_1[5]; HashI_1[5] = HashI_1[4]; HashI_1[4] = HashI_1[3] + T1; HashI_1[3] = HashI_1[2]; HashI_1[2] = HashI_1[1]; HashI_1[1] = HashI_1[0]; HashI_1[0] = T1 + T2;
訊息處理排程如下：
for(j =0; j < 16;j++)
W[j] = data [ i*16 +j];//從全部資料中載入本次所需的訊息
for(j = 16;j < 80;j++)//將16-79輪的資訊計算出
W[j] = (ROTR(W[j-2],19) ^ ROTR(W[j-2],61) ^ (W[j-2]>>6) ) + W[j-7] + ( ROTR(W[j-15],1) ^ ROTR(W[j-15],8) ^ (W[j-15]>>7)) + W[j-16]這裡也被書上給坑了，鄙視一下那本教程。書上說這裡的訊息處理函式中對j-2和j-15進行的操作是加和左移，而正確的是異或和右移。
5.將所有分組都進行操作後，就可以得到最後的hash值進行輸出，現在沒有錯誤了。全部程式碼如下
// ConsoleApplication5.cpp : 定義控制檯應用程式的入口點。
//
///////////////////////////////SHA-512/////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
unsigned long long data[0x2000000];//載入資料、
unsigned long long T1,T2,W[80];//本輪使用的訊息，和分組中儲存的訊息
unsigned long long HashI_1[8];//中間結果
unsigned long long HashI[8];//最終結果
const unsigned long long Kt[80] = {//80個常數
0x428a2f98d728ae22ULL, 0x7137449123ef65cdULL, 0xb5c0fbcfec4d3b2fULL,
0xe9b5dba58189dbbcULL, 0x3956c25bf348b538ULL, 0x59f111f1b605d019ULL,
0x923f82a4af194f9bULL, 0xab1c5ed5da6d8118ULL, 0xd807aa98a3030242ULL,
0x12835b0145706fbeULL, 0x243185be4ee4b28cULL, 0x550c7dc3d5ffb4e2ULL,
0x72be5d74f27b896fULL, 0x80deb1fe3b1696b1ULL, 0x9bdc06a725c71235ULL,
0xc19bf174cf692694ULL, 0xe49b69c19ef14ad2ULL, 0xefbe4786384f25e3ULL,
0x0fc19dc68b8cd5b5ULL, 0x240ca1cc77ac9c65ULL, 0x2de92c6f592b0275ULL,
0x4a7484aa6ea6e483ULL, 0x5cb0a9dcbd41fbd4ULL, 0x76f988da831153b5ULL,
0x983e5152ee66dfabULL, 0xa831c66d2db43210ULL, 0xb00327c898fb213fULL,
0xbf597fc7beef0ee4ULL, 0xc6e00bf33da88fc2ULL, 0xd5a79147930aa725ULL,
0x06ca6351e003826fULL, 0x142929670a0e6e70ULL, 0x27b70a8546d22ffcULL,
0x2e1b21385c26c926ULL, 0x4d2c6dfc5ac42aedULL, 0x53380d139d95b3dfULL,
0x650a73548baf63deULL, 0x766a0abb3c77b2a8ULL, 0x81c2c92e47edaee6ULL,
0x92722c851482353bULL, 0xa2bfe8a14cf10364ULL, 0xa81a664bbc423001ULL,
0xc24b8b70d0f89791ULL, 0xc76c51a30654be30ULL, 0xd192e819d6ef5218ULL,
0xd69906245565a910ULL, 0xf40e35855771202aULL, 0x106aa07032bbd1b8ULL,
0x19a4c116b8d2d0c8ULL, 0x1e376c085141ab53ULL, 0x2748774cdf8eeb99ULL,
0x34b0bcb5e19b48a8ULL, 0x391c0cb3c5c95a63ULL, 0x4ed8aa4ae3418acbULL,
0x5b9cca4f7763e373ULL, 0x682e6ff3d6b2b8a3ULL, 0x748f82ee5defb2fcULL,
0x78a5636f43172f60ULL, 0x84c87814a1f0ab72ULL, 0x8cc702081a6439ecULL,
0x90befffa23631e28ULL, 0xa4506cebde82bde9ULL, 0xbef9a3f7b2c67915ULL,
0xc67178f2e372532bULL, 0xca273eceea26619cULL, 0xd186b8c721c0c207ULL,
0xeada7dd6cde0eb1eULL, 0xf57d4f7fee6ed178ULL, 0x06f067aa72176fbaULL,
0x0a637dc5a2c898a6ULL, 0x113f9804bef90daeULL, 0x1b710b35131c471bULL,
0x28db77f523047d84ULL, 0x32caab7b40c72493ULL, 0x3c9ebe0a15c9bebcULL,
0x431d67c49c100d4cULL, 0x4cc5d4becb3e42b6ULL, 0x597f299cfc657e2aULL,
0x5fcb6fab3ad6faecULL, 0x6c44198c4a475817ULL,
};
void InitializeHash(){//初始化 HashI_1 HashI
HashI[0] = 0x6a09e667f3bcc908;
HashI[1] = 0xbb67ae8584caa73b;
HashI[2] = 0x3c6ef372fe94f82b;
HashI[3] = 0xa54ff53a5f1d36f1;
HashI[4] = 0x510e527fade682d1;
HashI[5] = 0x9b05688c2b3e6c1f;
HashI[6] = 0x1f83d9abfb41bd6b;
HashI[7] = 0x5be0cd19137e2179;
}
unsigned long long ROTR(unsigned long long x,int n)//迴圈右移n位
{
return ((x>>n) | (x<<(64-n))) ;
}
void SHA_512(int N){
int i,t,j;
for(i =0; i < N;i++){
for(j =0; j < 16;j++)
W[j] = data [ i*16 +j];//從全部資料中載入本次所需的訊息
for(j = 16;j < 80;j++)//將16-79輪的資訊計算出
W[j] = (ROTR(W[j-2],19) ^ ROTR(W[j-2],61) ^ (W[j-2]>>6) ) + W[j-7] + ( ROTR(W[j-15],1) ^ ROTR(W[j-15],8) ^ (W[j-15]>>7)) + W[j-16];
for(j = 0;j<8;j++)
HashI_1[j] = HashI[j];//每次開始輸入之前，將之前得到的輸出讀入，然後對中間的hashI_1值進行操作，輸出給HashI
for(t =0 ;t < 80 ;t++){//80輪操作
T1 = HashI_1[7] + ((HashI_1[4] & HashI_1[5]) ^ ( (~HashI_1[4]) & HashI_1[6]))
+ (ROTR(HashI_1[4],14) ^ ROTR(HashI_1[4],18) ^ ROTR(HashI_1[4],41)) +W[t] + Kt[t];
T2 = (ROTR(HashI_1[0],28) ^ ROTR(HashI_1[0],34) ^ ROTR(HashI_1[0],39))
+ ((HashI_1[0] & HashI_1[1]) ^ (HashI_1[0] & HashI_1[2]) ^ (HashI_1[1] & HashI_1[2]));
HashI_1[7] = HashI_1[6];
HashI_1[6] = HashI_1[5];
HashI_1[5] = HashI_1[4];
HashI_1[4] = HashI_1[3] + T1;
HashI_1[3] = HashI_1[2];
HashI_1[2] = HashI_1[1];
HashI_1[1] = HashI_1[0];
HashI_1[0] = T1 + T2;
}
for(j = 0;j < 8;j++)
HashI[j] += HashI_1[j];//得到輸出
}
}
int main(){
int i,t,k ,l,j=0;
int N ,M;//n個1024,M個256m
unsigned char lastChar[128];
unsigned long long TxtLength;
unsigned long long r;
InitializeHash();
fstream dataf("data.txt",ios::in | ios::binary );
dataf.seekp(0,ios::end);
TxtLength = dataf.tellp();//獲得檔案的大小
dataf.seekp(0,ios::beg);
N = 1<<21;//256m中 含有 1^21個的1024
M = (TxtLength>>28) + 1;//獲得資料有多少個256m的塊
for( t = 0; t < M;t++){
if( t == M-1){
N =(TxtLength - (1<<28)*(M-1)) >>7 ;//當只剩下最後一組256m時，計算剩下的1024組數-1
for( i =0;i< N;i++){//將剩下的滿1024的組先讀入
dataf.read((char*)lastChar,128);//一次讀取128個char
for(k = 0;k<16;k++){
data[j] = 0;
for(l = 0;l < 8;l++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[k*8 + l];
j++;
}
}
N = TxtLength - (1<<28)*(M-1) - (N<<7);//計算最後剩下的位元組數
for( i = 0;i < N;i++)
dataf.read((char*)(&lastChar[i]),1);
if( i >= 112){//補餘時，若最後一段大於896則必須再加一層1024.
lastChar[i++] = 128;//最高位填充1之後填充0
for(;i < 128;i++)
lastChar[i] = 0;
for(i = 0;i < 16;i++){
data[j] = 0;
for(k = 0;k < 8;k++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[i*8 + k];
j++;
}
for(i=0;i < 112;i++)//新的1024行要再次填充到896位
lastChar[i] = 0;
}else{
lastChar[i++] = 128;//最高位填充1之後填充0
for(;i < 112;i++)
lastChar[i] = 0;
}
//最後128位為訊息長度，第一個數固定為0，第二個數直接為TextLength * 8
//將資料從lastChar陣列中讀入到data陣列中
for(i = 0;i < 14;i++){
data[j] = 0;
for(k = 0;k < 8;k++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[i*8 + k];
j++;
}
data[j++] = 0;
data[j++] = TxtLength<<3 ;
N = j>>4;//j的數量肯定是合理的，則可以由此時j的數量得到最後1024的組數
SHA_512(N);//進行hash
}else{
for( i =0;i<N;i++){
dataf.read((char*)lastChar,128);
for(k = 0;k<16;k++){
data[j] = 0;
for(l = 0;l < 8;l++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[k*8 + l];
j++;
}
}
SHA_512(N);//
}
}
dataf.close();
cout<<"Hash結果如下"<<endl;
for(j = 0; j < 8;j++)
printf("%016I64x\n",HashI[j]);
cin>>lastChar[0];
return 0;
}