C/C++学习 -- SHA-256算法

SHA-256算法概述

SHA-256代表"Secure Hash Algorithm 256-bit"，是一种安全的哈希算法，输出固定长度的256位（32字节）哈希值。SHA-256被广泛用于加密、数字签名、密码学以及区块链等领域，因为它提供了高度的安全性和抗碰撞性。

SHA-256算法特点

固定长度输出：SHA-256算法的输出是256位，无论输入的数据大小如何，始终产生相同长度的哈希值。

不可逆性：无法从SHA-256哈希值逆向还原出原始数据。

高度抗碰撞性：SHA-256算法被广泛认为是具有极高抗碰撞性的哈希算法，即使输入数据微小的变化也会导致完全不同的哈希值。

困难的碰撞攻击：要找到两个不同的输入，产生相同的SHA-256哈希值，需要极大的计算能力和时间。

SHA-256算法原理

SHA-256算法的核心原理包括以下步骤：

数据填充：将输入数据填充到满足一定长度要求的块，通常为512位。

初始哈希值：设置初始哈希值（8个32位字）。

消息分块：将填充后的数据分成若干个512位的消息块。

消息调度：对每个消息块进行消息调度，得到64个32位字。

压缩函数：将消息块与前一个哈希值一起传递给压缩函数，产生新的哈希值。

循环处理：重复4和5步骤，直到所有消息块都处理完毕。

最终哈希值：将最后得到的哈希值连接在一起，即得到SHA-256的256位哈希值。

C语言实现SHA-256算法

以下是C语言实现SHA-256算法的代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#define ROTRIGHT(word, bits) (((word) >> (bits)) | ((word) << (32 - (bits))))
#define CH(x, y, z) (((x) & (y)) ^ (~(x) & (z)))
#define MAJ(x, y, z) (((x) & (y)) ^ ((x) & (z)) ^ ((y) & (z)))
#define EP0(x) (ROTRIGHT(x, 2) ^ ROTRIGHT(x, 13) ^ ROTRIGHT(x, 22))
#define EP1(x) (ROTRIGHT(x, 6) ^ ROTRIGHT(x, 11) ^ ROTRIGHT(x, 25))
#define SIG0(x) (ROTRIGHT(x, 7) ^ ROTRIGHT(x, 18) ^ ((x) >> 3))
#define SIG1(x) (ROTRIGHT(x, 17) ^ ROTRIGHT(x, 19) ^ ((x) >> 10))
// 定义SHA-256的初始哈希值
uint32_t initial_hash[] = {
    0x6a09e667, 0xbb67ae85, 0x3c6ef372, 0xa54ff53a,
    0x510e527f, 0x9b05688c, 0x1f83d9ab, 0x5be0cd19
};
// 定义SHA-256常量K
uint32_t K[] = {
    0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5,
    0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5,
    // ...
};
// SHA-256的数据结构
typedef struct {
    uint8_t data[64];
    uint32_t datalen;
    uint64_t bitlen;
    uint32_t state[8];
} SHA256_CTX;
// 初始化SHA-256上下文
void sha256_init(SHA256_CTX *ctx);
// 更新SHA-256哈希值
void sha256_update(SHA256_CTX *ctx, const uint8_t data[], size_t len);
// 计算SHA-256哈希值
void sha256_final(SHA256_CTX *ctx, uint8_t hash[]);
int main() {
    SHA256_CTX ctx;
    uint8_t data[] = "Hello, SHA-256!";
    uint8_t hash[32];
    sha256_init(&ctx);
    sha256_update(&ctx, data, strlen((char *)data));
    sha256_final(&ctx, hash);
    printf("SHA-256 Hash: ");
    for (int i = 0; i < 32; i++) {
        printf("%02x", hash[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

C++实现SHA-256算法

以下是C++语言实现SHA-256算法的代码示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdint>
class SHA256 {
public:
    SHA256();
    void update(const std::string& message);
    std::string final();
private:
    uint32_t state[8];
    uint8_t buffer[64];
    uint64_t bitlen;
    uint32_t K[64];
    void transform();
};
int main() {
    SHA256 sha256;
    std::string message = "Hello, SHA-256!";
    sha256.update(message);
    std::string hash = sha256.final();
    std::cout << "SHA-256 Hash: " << hash << std::endl;
    return 0;
}

此处省略了C++实现的具体细节，但你可以轻松地找到开源的SHA-256 C++库，用于在实际项目中使用。

通过本篇文章，你应该对SHA-256算法有了更深入的了解，并能够使用C和C++编程语言实现SHA-256哈希算法来保护数据的完整性和安全性。SHA-256的强大安全性使其成为密码学和数据安全领域的不可或缺的工具。