SHA1 安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）

　　安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）主要適用於數字簽名標准 （Digital Signature Standard DSS）里面定義的數字簽名算法（Digital Signature Algorithm DSA）。對於長度小於2^64位的消息，SHA1會產生一個160位的消息摘要。當接收到消息的時候，這個消息摘要可以用來驗證數據的完整性。在傳輸的過程中，數據很可能會發生變化，那么這時候就會產生不同的消息摘要。 SHA1有如下特性：不可以從消息摘要中復原信息；兩個不同的消息不會產生同樣的消息摘要,(但會有1x10 ^ 48分之一的機率出現相同的消息摘要,一般使用時忽略)。

　　(注：最后有案例代碼)

術語和概念

　位,字節和字

　　SHA1始終把消息當成一個位（bit）字符串來處理。本文中，一個字（Word）是32位，而一個字節（Byte）是8位。比如，字符串“abc”可以被轉換成一個位字符串：01100001 01100010 01100011。它也可以被表示成16進制字符串: 0x616263.

　運算符和符號

　　下面的邏輯運算符都被運用於“字”（Word）

　　　　X & Y = X， Y邏輯與

　　　　X | Y = X， Y邏輯或

　　　　X ^ Y= X， Y邏輯異或

　　　　~X = X邏輯取反

　　X+Y定義如下：

　　　　字 X 和 Y 代表兩個整數 x 和y, 其中 0 <= x < 2^32 且 0 <= y < 2^32. 令整數z = (x + y) mod 2^32. 這時候 0 <= z < 2^32. 將z轉換成字Z, 那么就是 Z = X + Y.

　　　　邏輯左移位(循環移位)操作符Sn(X)：

　　　　X是一個字，n是一個整數，0<=n<=32。

　　　　Sn(X) = (X<<n)OR(X>>32-n)

SHA1算法描述

　　在SHA1算法中，我們必須把原始消息（字符串，文件等）轉換成位字符串。SHA1算法只接受位作為輸入。假設我們對字符串“abc”產生 消息摘要。首先，我們將它轉換成位字符串如下：

　　01100001 01100010 01100011

　　―――――――――――――

　　‘a’=97 ‘b’=98 ‘c’=99

　　這個位字符串的長度為24。下面我們需要5個步驟來計算消息摘要MAC。

　補位

　　消息必須進行補位，以使其長度在對512取模以后的余數是448。也就是說，（補位后的消息長度）%512 = 448。即使長度已經滿足對512取模后余數是448，補位也必須要進行。

　　補位是這樣進行的：先補一個1，然后再補0，直到長度滿足對512取模后余數是448。總而言之，補位是至少補一位，最多補512位。還是以前面的“abc”為例顯示補位的過程。

　　原始信息： 01100001 01100010 01100011

　　補位第一步：01100001 01100010 01100011 1

　　首先補一個“1”

　　補位第二步：01100001 01100010 01100011 10…..0

　　然后補423個“0”

　　我們可以把最后補位完成后的數據用16進制寫成下面的樣子

　　　　61626380 00000000 00000000 00000000

　　　　00000000 00000000 00000000 00000000

　　　　00000000 00000000 00000000 00000000

　　　　00000000 00000000

　　經過以上的處理之后，數據的長度是448了，我們可以進行下一步操作。

　補長度

　　所謂的補長度是將 原始數據的長度補到已經進行了補 位操作的消息后面。通常用一個64位的數據來表示原始消息的長度。如果消息長度不大於2^64，那么第一個字就是0。在進行了補長度的操作以后，整個消息就變成下面這樣了（16進制格式）

　　　　61626380 00000000 00000000 00000000

　　　　00000000 00000000 00000000 00000000

　　　　00000000 00000000 00000000 00000000

　　　　00000000 00000000 00000000 00000018

　　如果原始的消息長度超過了512，我們需要將它補成512的倍數。然后我們把整個消息分成一個一個512位的 數據塊，分別處理每一個數據塊，從而得到 消息摘要。

　使用的常量

　　一系列的常量字K(0), K(1), ... , K(79)，如果以16進制給出。它們如下：

　　　　Kt = 0x5A827999 (0 <= t <= 19)

　　　　Kt = 0x6ED9EBA1 (20 <= t <= 39)

　　　　Kt = 0x8F1BBCDC (40 <= t <= 59)

　　　　Kt = 0xCA62C1D6 (60 <= t <= 79).

　使用的函數

　　在SHA1中我們需要一系列的函數。每個函數ft (0 <= t <= 79)都操作32位字B，C，D並且產生32位字作為輸出。ft(B,C,D)可以如下定義:

　　　　ft(B,C,D) = (B AND C) or ((NOT B) AND D) ( 0 <= t <= 19)

　　　　ft(B,C,D) = B XOR C XOR D (20 <= t <= 39)

　　　　ft(B,C,D) = (B AND C) or (B AND D) or (C AND D) (40 <= t <= 59)

　　　　ft(B,C,D) = B XOR C XOR D (60 <= t <= 79).

　計算消息摘要

　　必須使用進行了補位和補長度后的消息來計算消息摘要。計算需要兩個 緩沖區，每個都由5個32位的字組成，還需要一個80個32位字的緩沖區。第一個5個字的緩沖區被標識為A，B，C，D，E。第二個5個字的緩沖區被標識為H0, H1, H2, H3, H4。80個字的緩沖區被標識為W0, W1,..., W79,另外還需要一個一個字的TEMP緩沖區。

　　為了產生 消息摘要，在第3.2部分中定義的512位（16個字）的 數據塊M1, M2,..., Mn會依次進行處理，處理每個數據塊Mi 包含80個步驟。

　　在處理所有數據塊之前，緩沖區{Hi} 被初始化為下面的值（16進制）

　　　　H0 = 0x67452301

　　　　H1 = 0xEFCDAB89

　　　　H2 = 0x98BADCFE

　　　　H3 = 0x10325476

　　　　H4 = 0xC3D2E1F0.

　　現在開始處理M1, M2, ... , Mn。為了處理 Mi,需要進行下面的步驟

　　　　(1). 將 Mi 分成 16 個字 W0, W1, ... , W15, W0 是最左邊的字

　　　　(2). 對於 t = 16 到 79 令

　　　　　　W[t] = S1(W[t-3] XOR W[t-8] XOR W[t-14] XOR W[t-16]).

　　　　(3). 令 A = H0, B = H1, C = H2, D = H3, E = H4.

　　　　(4) 對於 t = 0 到 79，執行下面的循環

　　　　　　TEMP = S5(A) + ft(B,C,D) + E + Wt + Kt;

　　　　　　E = D; D = C; C = S30(B); B = A; A = TEMP;

　　　　(5). 令 H0 = H0 + A, H1 = H1 + B, H2 = H2 + C, H3 = H3 + D, H4 = H4 + E.

　　在處理完所有的 Mn, 后， 消息摘要是一個160位的字符串，以下面的順序標識

　　　　H0 H1 H2 H3 H4.

　　對於SHA256,SHA384,SHA512。你也可以用相似的辦法來計算消息摘要。對消息進行補位的算法完全是一樣的。

　　SHA1在許多安全協議中廣為使用，包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec，曾被視為是 MD5（更早之前被廣為使用的散列函數）的后繼者。

 

　　 附錄案例代碼：

public class SHA1 {
    private final int[] abcde = { 0x67452301, 0xefcdab89, 0x98badcfe, 0x10325476, 0xc3d2e1f0 };
    // 摘要數據存儲數組
    private int[] digestInt = new int[5];
    // 計算過程中的臨時數據存儲數組
    private int[] tmpData = new int[80];

    // 計算sha-1摘要
    private int process_input_bytes(byte[] bytedata) {
        // 初試化常量
        System.arraycopy(abcde, 0, digestInt, 0, abcde.length);
        // 格式化輸入字節數組，補10及長度數據
        byte[] newbyte = byteArrayFormatData(bytedata);
        // 獲取數據摘要計算的數據單元個數
        int MCount = newbyte.length / 64;
        // 循環對每個數據單元進行摘要計算
        for (int pos = 0; pos < MCount; pos++) {
            // 將每個單元的數據轉換成16個整型數據，並保存到tmpData的前16個數組元素中
            for (int j = 0; j < 16; j++) {
                tmpData[j] = byteArrayToInt(newbyte, (pos * 64) + (j * 4));
            }
            // 摘要計算函數
            encrypt();
        }
        return 20;
    }

    // 格式化輸入字節數組格式
    private byte[] byteArrayFormatData(byte[] bytedata) {
        // 補0數量
        int zeros = 0;
        // 補位后總位數
        int size = 0;
        // 原始數據長度
        int n = bytedata.length;
        // 模64后的剩余位數
        int m = n % 64;
        // 計算添加0的個數以及添加10后的總長度
        if (m < 56) {
            zeros = 55 - m;
            size = n - m + 64;
        } else if (m == 56) {
            zeros = 63;
            size = n + 8 + 64;
        } else {
            zeros = 63 - m + 56;
            size = (n + 64) - m + 64;
        }
        // 補位后生成的新數組內容
        byte[] newbyte = new byte[size];
        // 復制數組的前面部分
        System.arraycopy(bytedata, 0, newbyte, 0, n);
        // 獲得數組Append數據元素的位置
        int l = n;
        // 補1操作
        newbyte[l++] = (byte) 0x80;
        // 補0操作
        for (int i = 0; i < zeros; i++) {
            newbyte[l++] = (byte) 0x00;
        }
        // 計算數據長度，補數據長度位共8字節，長整型
        long N = (long) n * 8;
        byte h8 = (byte) (N & 0xFF);
        byte h7 = (byte) ((N >> 8) & 0xFF);
        byte h6 = (byte) ((N >> 16) & 0xFF);
        byte h5 = (byte) ((N >> 24) & 0xFF);
        byte h4 = (byte) ((N >> 32) & 0xFF);
        byte h3 = (byte) ((N >> 40) & 0xFF);
        byte h2 = (byte) ((N >> 48) & 0xFF);
        byte h1 = (byte) (N >> 56);
        newbyte[l++] = h1;
        newbyte[l++] = h2;
        newbyte[l++] = h3;
        newbyte[l++] = h4;
        newbyte[l++] = h5;
        newbyte[l++] = h6;
        newbyte[l++] = h7;
        newbyte[l++] = h8;
        return newbyte;
    }

    private int f1(int x, int y, int z) {
        return (x & y) | (~x & z);
    }

    private int f2(int x, int y, int z) {
        return x ^ y ^ z;
    }

    private int f3(int x, int y, int z) {
        return (x & y) | (x & z) | (y & z);
    }

    private int f4(int x, int y) {
        return (x << y) | x >>> (32 - y);
    }

    // 單元摘要計算函數
    private void encrypt() {
        for (int i = 16; i <= 79; i++) {
            tmpData[i] = f4(tmpData[i - 3] ^ tmpData[i - 8] ^ tmpData[i - 14] ^ tmpData[i - 16], 1);
        }
        int[] tmpabcde = new int[5];
        for (int i1 = 0; i1 < tmpabcde.length; i1++) {
            tmpabcde[i1] = digestInt[i1];
        }
        for (int j = 0; j <= 19; j++) {
            int tmp = f4(tmpabcde[0], 5) + f1(tmpabcde[1], tmpabcde[2], tmpabcde[3]) + tmpabcde[4] + tmpData[j]
                    + 0x5a827999;
            tmpabcde[4] = tmpabcde[3];
            tmpabcde[3] = tmpabcde[2];
            tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1], 30);
            tmpabcde[1] = tmpabcde[0];
            tmpabcde[0] = tmp;
        }
        for (int k = 20; k <= 39; k++) {
            int tmp = f4(tmpabcde[0], 5) + f2(tmpabcde[1], tmpabcde[2], tmpabcde[3]) + tmpabcde[4] + tmpData[k]
                    + 0x6ed9eba1;
            tmpabcde[4] = tmpabcde[3];
            tmpabcde[3] = tmpabcde[2];
            tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1], 30);
            tmpabcde[1] = tmpabcde[0];
            tmpabcde[0] = tmp;
        }
        for (int l = 40; l <= 59; l++) {
            int tmp = f4(tmpabcde[0], 5) + f3(tmpabcde[1], tmpabcde[2], tmpabcde[3]) + tmpabcde[4] + tmpData[l]
                    + 0x8f1bbcdc;
            tmpabcde[4] = tmpabcde[3];
            tmpabcde[3] = tmpabcde[2];
            tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1], 30);
            tmpabcde[1] = tmpabcde[0];
            tmpabcde[0] = tmp;
        }
        for (int m = 60; m <= 79; m++) {
            int tmp = f4(tmpabcde[0], 5) + f2(tmpabcde[1], tmpabcde[2], tmpabcde[3]) + tmpabcde[4] + tmpData[m]
                    + 0xca62c1d6;
            tmpabcde[4] = tmpabcde[3];
            tmpabcde[3] = tmpabcde[2];
            tmpabcde[2] = f4(tmpabcde[1], 30);
            tmpabcde[1] = tmpabcde[0];
            tmpabcde[0] = tmp;
        }
        for (int i2 = 0; i2 < tmpabcde.length; i2++) {
            digestInt[i2] = digestInt[i2] + tmpabcde[i2];
        }
        for (int n = 0; n < tmpData.length; n++) {
            tmpData[n] = 0;
        }
    }

    // 4字節數組轉換為整數
    private int byteArrayToInt(byte[] bytedata, int i) {
        return ((bytedata[i] & 0xff) << 24) | ((bytedata[i + 1] & 0xff) << 16) | ((bytedata[i + 2] & 0xff) << 8)
                | (bytedata[i + 3] & 0xff);
    }

    // 整數轉換為4字節數組
    private void intToByteArray(int intValue, byte[] byteData, int i) {
        byteData[i] = (byte) (intValue >>> 24);
        byteData[i + 1] = (byte) (intValue >>> 16);
        byteData[i + 2] = (byte) (intValue >>> 8);
        byteData[i + 3] = (byte) intValue;
    }

    // 將字節轉換為十六進制字符串
    private static String byteToHexString(byte ib) {
        char[] Digit = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F' };
        char[] ob = new char[2];
        ob[0] = Digit[(ib >>> 4) & 0X0F];
        ob[1] = Digit[ib & 0X0F];
        String s = new String(ob);
        return s;
    }

    // 將字節數組轉換為十六進制字符串
    private static String byteArrayToHexString(byte[] bytearray) {
        String strDigest = "";
        for (int i = 0; i < bytearray.length; i++) {
            strDigest += byteToHexString(bytearray[i]);
        }
        return strDigest;
    }

    // 計算sha-1摘要，返回相應的字節數組
    public byte[] getDigestOfBytes(byte[] byteData) {
        process_input_bytes(byteData);
        byte[] digest = new byte[20];
        for (int i = 0; i < digestInt.length; i++) {
            intToByteArray(digestInt[i], digest, i * 4);
        }
        return digest;
    }

    // 計算sha-1摘要，返回相應的十六進制字符串
    public String getDigestOfString(byte[] byteData) {
        return byteArrayToHexString(getDigestOfBytes(byteData));
    }

    public static void main(String[] args) {
        String data = "123456";
        String digest = new SHA1().getDigestOfString(data.getBytes());
    }
}