一 什么是Keccak
Keccak是一種被選定為SHA-3標准的單向散列函數算法。
Keccak可以生成任意長度的散列值，但為了配合SHA-2的散列值長度，SHA-3標准中規定了SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512這4種版本。在輸入數據的長度上限方面，SHA-1為2的64次方-1比特，SHA-2為2的128次方-1比特，而SHA-3則沒有長度限制。
此為，FIPS 202還規定了兩個可輸出任意長度散列值的函數，分別為SHAKE128和SHAKE256。據說SHAKE這個名字取自Secure Hash Algorithm與Keccak這幾個單詞。
順便一提，Keccak的設計者之一Billes Van Assche在Github上發布了一款名為KeccakTools的軟件。地址如下：https://github.com/KeccakTeam/KeccakTools
二 海綿結構
Keccak采用了與SHA-1、SHA-2完全不同的海綿結構，如下圖：
Keccak的海綿結構中，輸入的數據在進行填充之后，要經過吸收階段和擠出階段，最終生成輸出的散列值。
“海綿結構”這個名字聽上去有點奇怪，可以想象以下將一塊海綿泡在水里吸水，然后再將里面的水擠出來的情形。同樣地，Keccak的海綿結構是先將輸入的消息吸收到內部狀態，然后再根據內部狀態擠出相應的散列值。
1 吸收階段流程
將經過填充的輸入消息按照每r比特為一組分割成若干個輸入分組
首先，將“內部狀態的r比特”與“輸入分組1”進行XOR，將其結果作為“函數f的輸入值”
然后，將“函數f的輸出值r個比特”與“輸入分組2”進行XOR，將其結果再次作為“函數f的輸入值”
反復執行上述步驟，直到達到最后一個輸入分組
等所有的輸入分組處理完成后，結束吸收階段，進入擠出階段
函數f的作用是將輸入的數據進行復雜的攪拌操作並輸出結果（輸入和輸出的長度均為b=r+c個比特），其操作對象是長度為b=r+c個比特的內部狀態，內部狀態的初始值為0.也就是說，通過反復將輸入分組的內容攪拌進來，整個消息就會被一點一點地“吸收”到海綿結構的內部狀態中，就好像水分被一點點吸進海綿內部一樣，每次被吸收的輸入分組長度為r個比特，因此r被稱為比特率。
通過上圖可以看出，函數f的輸入長度不是r個比特，而是r+c個比特，這意味着內部狀態中有c個比特時不受輸入分組內容直接影響的（但會通過函數f受到間接影響）。這里的c被稱為容量。
2 擠出階段流程
首先，將“函數f的輸出值中的r個比特”保存為“輸出分組1”，並將整個輸出值（r+c個比特）再次輸入到函數f中
然后，將“函數f的樹池值中的r個比特”保存為“輸出分組2”，並將整個輸出值（r+c個比特）再次輸入到函數f中
反復執行上面的步驟，直到獲得所需長度的輸出數據
無論是吸收階段還是擠出階段，函數f的邏輯本身是完全一樣的，每執行一次函數f，海綿結構的內部狀態都會被攪拌一次。
擠出階段中實際上執行的是“對內部狀態進行攪拌並產生輸出分組（r比特）”的操作，也就是以比特率（r個比特）為單位，將海綿結構內部狀態中的數據一點一點擠出來，就像從海綿里面把水擠出來一樣。
在擠出階段，內部狀態r+c個比特中的容量（c個比特）部分是不會直接進入輸出分組的，這部分數據值會通過函數f間接影響輸出內容。因此，容量c的意義在於防止將輸入消息中的一些特征泄露出去。
三 雙工結構
作為海綿結構的變形，Keccak中還提出了一種雙工結構，如下圖：
在海綿結構中，只有將輸入的消息全部吸收完畢之后才能開始輸出，但在雙工結構中，輸入和輸出是以相同的速率進行的。在雙向通信中，發送和接收同時進行的方式稱為全雙工，Keccak的雙工結構也代表同樣的含義。
通過采用雙工結構，Keccak不僅可用於計算散列值，還可以覆蓋密碼學家工具箱中的其他多種用途，如偽隨機數生成器、流密碼、認證加密、消息認證碼等。