实验七 SHA-1

一、实验目的

熟悉SHA-1算法的运行过程，能够使用C++语言编写实现SHA-1算法程序，增

加对摘要函数的理解。

二、实验要求

(1)理解SHA-1轮函数的定义和工作过程。

(2)利用VC++语言实现SHA- 1算法。

(3)分析SHA- 1算法运行的性能。

三、实验原理

SHA-1对任意长度明文的分组预处理完后的明文长度是512位的整数倍，值得注意的是，SHA-1的原始报文长度不能超过2的64次方，然后SHA-1生成160位的报文摘要。SHA-1算法简单且紧凑，容易在计算机上实现。图6-1所示为SHA-1对单个512位分组的处理过程。

1.实验环境

普通计算机Intel i5 3470@3.2GHz, 4GB RAM，Windows 7 Professional Edition, VS平台。

2.算法实现步骤

1)将消息摘要转换成位字符串

因为在SHA- 1算法中，它的输入必须为位，所以首先要将其转化为位字符串。以“abc”字符串来说明问题，因为'a'=97, 'b'=98, 'c'=99，所以将其转换为位串后为01100001 01100010 01100011

2)对转换后的位字符串进行补位操作

SHA-1算法标准规定，必须对消息摘要进行补位操作，即将输入的数据进行填充，使得数据长度对512求余的结果为448，填充比特位的最高位补一个1,其余位补0，如果在补位之前已经满足对512取模余数为448，则要进行补位，在其后补一位1。总之，补位是至少补一位，最多补512位。依然以“abc”为例，其补位过程如下:初始的信息摘要: 01100001 01100010 01100011第一步补位:01100001 01100010 011000111，最后一位补位: 01100001 01100010 01100011 10...0(后面补了423个0)

之后将补位操作后的信，息摘要转换为十六进制:

61626380 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000

3)附加长度值

在信息摘要后面附加64比特的信息，用来表示原始信息摘要的长度，在这步操作之后，信息报文便是512比特的倍数。通常来说用一个64位的数据表示原始消息的长度，如果消息长度不大于2，那么前32比特就为0，在进行附加长度值操作后，其“abc"数据报文即变成如下形式:

61 62638000000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 0000001 8

因为“abc”占3个字节，即24位，所以换算为十六进制后为0x18。

4)初始化缓存

一个160位MD缓冲区用以保存中间和最终散列函数的结果。它可以表示为5个32

位的寄存器(H0，H1，H2，H3，H4)。初始化如下:

HO = 0x67452301

H2 = 0x98BADCFE

H3 = 0x10325476

H4 = 0xC3D2E1F0

如果大家对MD-5不陌生的话，会发现一个重要的现象，其前四个与MD-5一样，

但不同之处是存储为Big-EndienFormat。

四、算法实现

(2)利用VC++语言实现SHA- 1算法。

#include <iostream>
#include <string>
#include <iomanip>
#include <sstream>
#include <Windows.h>
#include <wincrypt.h>

// 函数声明
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算法实现
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();
}

运行结果：

(3) 分析SHA-1算法的性能:

SHA-1是一种哈希算法，通常用于数据完整性验证和数字签名。然而，随着时间的推移，SHA-1的性能和安全性受到了挑战，因此在实际应用中要谨慎使用。

性能分析包括以下方面：

a. 计算速度：SHA-1的计算速度通常较快，适用于快速生成哈希值。

b. 安全性：SHA-1不再被认为是安全的哈希算法，因为已经出现了碰撞攻击，可以生成两个不同的输入，它们产生相同的SHA-1哈希值。这使得SHA-1不适合用于敏感数据的加密或签名。

c. 应用领域：SHA-1仍然可以用于一些非安全性要求严格的应用，例如在校验数据完整性时。但对于需要高安全性的应用，应该选择更安全的哈希算法，如SHA-256或SHA-3。

五、实验心得

SHA-1是一个基于位运算和逻辑运算的哈希算法，它将输入数据转化为固定长度（160位）的哈希值。SHA-1在性能方面通常表现良好，但已不再被认为是安全的哈希算法。因此，建议在应用中使用更安全的哈希算法，特别是需要保护敏感数据的情况。SHA-256和SHA-3等算法提供了更高的安全性，可以满足更严格的安全要求。在实现SHA-1算法时，需要将输入字符串转换为适当格式，并填充数据，以确保数据长度满足SHA-1算法的要求。包括位填充和附加数据长度。通过实验我了解SHA-1算法中的各个步骤，包括信息的分块、扩展消息、初始化哈希值、迭代运算等。这有助于更好地理解SHA-1的内部工作原理。此次实验使我加深了对哈希算法的理解，提高了编程能力。