Хэш-функции и аутентификация сообщений. Часть 2

Хэш-функции SHA-2

В 2001 году NIST принял в качестве стандарта три хэш-функции с существенно большей длиной хэш-кода. Часто эти хэш-функции называют SHA-2 или SHA-256, SHA-384 и SHA-512 (соответственно, в названии указывается длина создаваемого ими хэш-кода). Эти алгоритмы отличаются не только длиной создаваемого хэш-кода, но и длиной обрабатываемого блока, длиной слова и используемыми внутренними функциями. Сравним характеристики этих хэш-функций.

Под безопасностью здесь понимается стойкость к атакам типа "парадокса дня рождения".

В данных алгоритмах размер блока сообщения равен m бит. Для SHA-256 m = 512, для SHA-384 и SHA-512 m = 1024. Каждый алгоритм оперирует с w-битными словами. Для SHA-256 w = 32, для SHA-384 и SHA-512 w = 64. В алгоритмах используются обычные булевские операции над словами, а также сложение по модулю 2^w, правый сдвиг на n бит SHRⁿ (x), где х - w-битное слово, и циклические (ротационные) правый и левый сдвиги на n бит ROTRⁿ (x) и ROTLⁿ (x), где х - w-битное слово.

SHA-256 использует шесть логических функций, при этом каждая из них выполняется с 32-битными словами, обозначенными как x, y и z. Результатом каждой функции тоже является 32-битное слово.

SHA-384 и SHA-512 также используют шесть логических функций, каждая из которых выполняется над 64-битными словами, обозначенными как x, y и z. Результатом каждой функции является 64-битное слово.

Предварительная подготовка сообщения, т.е. добавление определенных битов до целого числа блоков и последующее разбиение на блоки выполняется аналогично тому, как это делалось в SHA-1 (конечно, с учетом длины блока каждой хэш-функции). После этого каждое сообщение можно представить в виде последовательности N блоков M⁽¹⁾, M⁽²⁾, M^(N).

Рассмотрим SHA-256. В этом случае инициализируются восемь 32-битных переменных, которые послужат промежуточным значением хэш-кода:

a, b, c, d, e, f, g, h

Основой алгоритма является модуль, состоящий из 64 циклических обработок каждого блока M⁽ⁱ⁾:

где K_i^{256} - шестьдесят четыре 32-битных константы, каждая из которых является первыми 32-мя битами дробной части кубических корней первых 64 простых чисел.

W_t вычисляются из очередного блока сообщения по следующим правилам:

i-ое промежуточное значение хэш-кода H^(t) вычисляется следующим образом:

H0(i) = a + H0(i-1)
H1(i) = b + H1(i-1)
H2(i) = c + H2(i-1)
H3(i) = d + H3(i-1)
H4(i) = e + H4(i-1)
H5(i) = f + H5(i-1)
H6(i) = g + H6(i-1)
H7(i) = h + H7(i-1)

Теперь рассмотрим SHA-512. В данном случае инициализируются восемь 64-битных переменных, которые будут являться промежуточным значением хэш-кода:

a, b, c, d, e, f, g, h

Основой алгоритма является модуль, состоящий из 80 циклических обработок каждого блока M⁽ⁱ⁾:

где K_i^{512} - восемьдесят 64-битных констант, каждая из которых является первыми 64-мя битами дробной части кубических корней первых восьмидесяти простых чисел.

W_t вычисляются из очередного блока сообщения по следующим правилам:

i-ое промежуточное значение хэш-кода H(t) вычисляется следующим образом:

H0(i) = a + H0(i-1)
H1(i) = b + H1(i-1)
H2(i) = c + H2(i-1)
H3(i) = d + H3(i-1)
H4(i) = e + H4(i-1)
H5(i) = f + H5(i-1)
H6(i) = g + H6(i-1)
H7(i) = h + H7(i-1)

Рассмотрим SHA-384. Отличия этого алгоритма от SHA-512:

1. Другой начальный хэш-код H⁽⁰⁾.
2. 384-битный дайджест получается из левых 384 битов окончательного хэш-кода H^(N):

H0(N) || H1(N) || H2(N) || H3(N) || H4(N) || H5(N).

Хэш-функция ГОСТ 34.11

Алгоритм ГОСТ 34.11 является отечественным стандартом для хэш-функций. Его структура довольно сильно отличается от структуры алгоритмов SHA-1, 2 или MD5, в основе которых лежит алгоритм MD4.

Длина хэш-кода, создаваемого алгоритмом ГОСТ 34.11, равна 256 битам. Алгоритм разбивает сообщение на блоки, длина которых также равна 256 битам. Кроме того, параметром алгоритма является стартовый вектор хэширования Н - произвольное фиксированное значение длиной также 256 бит.

Алгоритм обработки одного блока сообщения

Сообщение обрабатывается блоками по 256 бит справа налево.

Каждый блок сообщения обрабатывается по следующему алгоритму.

1. Генерация четырех ключей длиной 256 бит каждый.
2. Шифрование 64-битных значений промежуточного хэш-кода H на ключах K_i(i = 1, 2, 3, 4) с использованием алгоритма ГОСТ 28147 в режиме простой замены.
3. Перемешивание результата шифрования.

Для генерации ключей используются следующие данные:

• промежуточное значение хэш-кода Н длиной 256 бит;
• текущий обрабатываемый блок сообщения М длиной 256 бит;
• параметры - три значения С₂, С₃ и С₄ длиной 256 бит следующего вида: С₂ и С₄ состоят из одних нулей, а С₃ равно

18 08 116 024 116 08 (08 18)2 18 08 (08 18)4 (18 08)4

где степень обозначает количество повторений 0 или 1.

Используются две формулы, определяющие перестановку и сдвиг.

Перестановка Р битов определяется следующим образом: каждое 256-битное значение рассматривается как последовательность тридцати двух 8-битных значений.

Перестановка Р элементов 256-битной последовательности выполняется по формуле , где x - порядковый номер 8-битного значения в исходной последовательности; y - порядковый номер 8-битного значения в результирующей последовательности.

Сдвиг А определяется по формуле

Где

Присваиваются следующие начальные значения:

Ключи K₂, K₃, K₄ вычисляются последовательно по следующему алгоритму:

Далее выполняется шифрование 64-битных элементов текущего значения хэш-кода Н с ключами K₁, K₂, K₃ и K₄. При этом хэш-код Н рассматривается как последовательность 64-битных значений:

H = h4 || h3 || h2 || h1

Выполняется шифрование алгоритмом ГОСТ 28147:

si = EKi [hi]    i = 1, 2, 3, 4
S = s1 || s2 || s3 || s4

Наконец на заключительном этапе обработки очередного блока выполняется перемешивание полученной последовательности. 256-битное значение рассматривается как последовательность шестнадцати 16-битных значений. Сдвиг обозначается и определяется следующим образом:

- исходное значение

- результирующее значение

Результирующее значение хэш-кода определяется следующим образом:

где

H - предыдущее значение хэш-кода,

М - текущий обрабатываемый блок,

- i-ая степень преобразования

Логика выполнения ГОСТ 34.11

Входными параметрами алгоритма являются:

• исходное сообщение М произвольной длины;
• стартовый вектор хэширования Н, длина которого равна 256 битам;
• контрольная сумма начальное значение которой равно нулю и длина равна 256 битам;
• переменная L, начальное значение которой равно длине сообщения.

Сообщение М делится на блоки длиной 256 бит и обрабатывается справа налево. Очередной блок i обрабатывается следующим образом:

1. 
2. 
3. L рассматривается как неотрицательное целое число, к этому числу прибавляется 256 и вычисляется остаток от деления получившегося числа на 2²⁵⁶. Результат присваивается L.

Где обозначает следующую операцию: и M_i рассматриваются как неотрицательные целые числа длиной 256 бит. Выполняется обычное сложение этих чисел и находится остаток от деления результата сложения на 2²⁵⁶. Этот остаток и является результатом операции.

Самый левый, т.е. самый последний блок М' обрабатывается следующим образом:

1. Блок добавляется слева нулями так, чтобы его длина стала равна 256 битам.
2. Вычисляется .
3. L рассматривается как неотрицательное целое число, к этому числу прибавляется длина исходного сообщения М и находится остаток от деления результата сложения на 2²⁵⁶.
4. Вычисляется .
5. Вычисляется .
6. Вычисляется .

Значением функции хэширования является Н.