C++实践（五）C++实现认证算法：基于SHA-512的HMAC
基于SHA-512的HMAC算法
SHA是使用最广泛的Hash函数。其家族有SHA-1，SHA-2（包括SHA-256/SHA-384/SHA-512）。SHA1与SHA2都使用了同样的迭代结构和模算术与二元逻辑操作。在本实验中，我们采用SHA-512。
SHA-512算法
SHA-512的逻辑
算法的输入为长度小于128位的信息（实际实现中我们假定输入的信息长度小于64位），
输出时512位的消息摘要。输入信息以1024位的小组为单位处理。过程如图：
该过程包含如下步骤：
①附加填充位
在输入消息后面填充一个1，再填充若干个0使其长度模1024与896同余。不管输入消息长度如何，都要进行填充。
②附加长度
在消息后面附加一个128bit的块表示原始消息的长度。本实验中假设所有输入的消息长度都小于2^64-1，所以我们只处理最后附加块的低64bit。
③初始化Hash缓冲区
Hash函数的中间结果和最终结果都保存在512bit的缓冲区中。该缓冲区可以用8个64bit的寄存器表示。初始值如下：
mState[0] = 0x6a09e667f3bcc908;
mState[1] = 0xbb67ae8584caa73b;
mState[2] = 0x3c6ef372fe94f82b;
mState[3] = 0xa54ff53a5f1d36f1;
mState[4] = 0x510e527fade682d1;
mState[5] = 0x9b05688c2b3e6c1f;
mState[6] = 0x1f83d9abfb41bd6b;
mState[7] = 0x5be0cd19137e2179;
注意这些值以高位在前的格式存储。由于我们采用的是Intel x86系列CPU，该型CPU为小端存储，满足要求，所以为简便起见这里我们不再作任何处理。
④以1024为单位处理信息，共有80轮，如下图所示：
⑤输出
所有N个1024分组处理完毕后，从缓冲区输出512bit的消息摘要。
SHA-512的轮函数
每一轮的过程由如下函数定义：
ROTRn(x)=对64位变量循环右移n位。
轮消息Wt的产生如下图所示：
其中SHRn(x)对64比特变量x向左移动n位，右边填充0。
基于SHA-512的HMAC算法
算法描述如图：
首先，判断输入的密钥K的长度是否符合要求：若K的长度大于1024bits，则我们用SHA-512对K作一次Hash，得到的输出长度将为512bits，作为新的密钥；接着将密钥的长度扩展到1024bits(在密钥的左边填入0)。
然后按照下式计算：
其中，opad[i]=0x5c,ipad[i]=0x36,opad与ipad的长度与密钥的长度相同，即1024bits.
SHA-512测试
编写SHA512类
该类主要有四个成员函数，其中void init()进行必要的初始化工作，即初始化静态常量（轮常数等）；void process(const unsigned char *msg, unsigned long inlen)从输入的消息产生消息摘要；void hash(unsigned char *out)获取消息摘要；void calc()进行每轮的必要计算。
测试SHA512类
参考FIPS Publication 180-2中给出的两个例子，比对消息分组、每轮运算时的缓冲区的值，结果符合预期。
①测试数据message=”abc”,
hash= 0xdd, 0xaf, 0x35, 0xa1, 0x93, 0x61, 0x7a, 0xba,
0xcc, 0x41, 0x73, 0x49, 0xae, 0x20, 0x41, 0x31,
0x12, 0xe6, 0xfa, 0x4e, 0x89, 0xa9, 0x7e, 0xa2,
0x0a, 0x9e, 0xee, 0xe6, 0x4b, 0x55, 0xd3, 0x9a,
0x21, 0x92, 0x99, 0x2a, 0x27, 0x4f, 0xc1, 0xa8,
0x36, 0xba, 0x3c, 0x23, 0xa3, 0xfe, 0xeb, 0xbd,
0x45, 0x4d, 0x44, 0x23, 0x64, 0x3c, 0xe8, 0x0e,
0x2a, 0x9a, 0xc9, 0x4f, 0xa5, 0x4c, 0xa4, 0x9f
实验结果如下：
消息扩展过程中，将数据块各字分别赋值给W0~W15：
第46、47轮时缓冲区的值如下，经比对与FIPS Publication 180-2中给出的结果一致。
最后得到消息摘要，在main函数中我们检查产生的消息摘要，当该消息摘要与预先准备的hash值一致时会输出“true！”。
②测试数据：
message=”abcdefghbcdefghicdefghijdefghijkefghijklfghijklmghijklmnhijklmnoijklmnopjklmnopqklmnopqrlmnopqrsmnopqrstnopqrstu”
hash= 0x8e, 0x95, 0x9b, 0x75, 0xda, 0xe3, 0x13, 0xda,
0x8c, 0xf4, 0xf7, 0x28, 0x14, 0xfc, 0x14, 0x3f,
0x8f, 0x77, 0x79, 0xc6, 0xeb, 0x9f, 0x7f, 0xa1,
0x72, 0x99, 0xae, 0xad, 0xb6, 0x88, 0x90, 0x18,
0x50, 0x1d, 0x28, 0x9e, 0x49, 0x00, 0xf7, 0xe4,
0x33, 0x1b, 0x99, 0xde, 0xc4, 0xb5, 0x43, 0x3a,
0xc7, 0xd3, 0x29, 0xee, 0xb6, 0xdd, 0x26, 0x54,
0x5e, 0x96, 0xe5, 0x5b, 0x87, 0x4b, 0xe9, 0x09
这个测试数据的长度刚好是896bits，非常有代表性。
测试结果如下，符合预期。
经过这两步测试，我们的SHA512类基本正确了。
利用网站http://www.atool.org/hash.php 我们可以进一步测试SHA512类。
基于SHA-512的Hmac测试
编写HMAC类
HMAC类继承了SHA512类。在构造函数中我们进行初始化、对密钥长度的处理、计算HMAC值。
构造函数：HMAC(const unsigned char *in, uint64_t len, const unsigned char *key, uint64_t keyLen, unsigned char *out);
注意：为了通用，我们传入的是unsigned char 的指针。所以还必须传入消息的长度及密钥的长度，因为输入的消息、密钥都是unsigned char类型的指针，我们必须要知道该指针指向的数据块的长度。产生消息并使用HMAC类的对象应该知道消息、密钥的长度。
void keyPadding(const unsigned char *key, uint64_t keyLen)进行密钥长度预处理。
测试
测试数据为：message=”abc”，key=”abc”。测试结果如下：
测试数据为：
message=”abcdefghbcdefghicdefghijdefghijkefghijklfghijklmghijklmnhijklmnoijklmnopjklmnopqklmnopqrlmnopqrsmnopqrstnopqrstu”
key=”abcdefghbcdefghicdefghijdefghijkefghijklfghijklmghijklmnhijklmnoijklmnopjklmno
pqklmnopqrlmnopqrsmnopqrstnopqrstu”
结果如下：
由于没有找到HMAC-SHA-512的测试数据集，所以实验结果是否正确还有待进一步考量。但从结果看(例子见参考文献），密钥预处理步骤基本正确。
sha512.h
/************************************************************************/
/*SHA512：
/*Author: chenweiliang
/*Version: 1.0
/*Note: To see detail information please uncomment macro DEBUG
/*Reference: library Tomcrypt
/************************************************************************/
#include sha512.cpp
/************************************************************************/
/*SHA512：
/*Author: chenweiliang
/*Version: 1.0
/*Note: To see detail information please uncomment macro DEBUG
/*Reference: library Tomcrypt
/************************************************************************/
#ifndef __SHA_512_H
#include "sha_512.h"
#endif // !__SHA_512_H
const uint64_t SHA512::const_K[80] =
{
0x428a2f98d728ae22, 0x7137449123ef65cd,
0xb5c0fbcfec4d3b2f, 0xe9b5dba58189dbbc,
0x3956c25bf348b538, 0x59f111f1b605d019,
0x923f82a4af194f9b, 0xab1c5ed5da6d8118,
0xd807aa98a3030242, 0x12835b0145706fbe,
0x243185be4ee4b28c, 0x550c7dc3d5ffb4e2,
0x72be5d74f27b896f, 0x80deb1fe3b1696b1,
0x9bdc06a725c71235, 0xc19bf174cf692694,
0xe49b69c19ef14ad2, 0xefbe4786384f25e3,
0x0fc19dc68b8cd5b5, 0x240ca1cc77ac9c65,
0x2de92c6f592b0275, 0x4a7484aa6ea6e483,
0x5cb0a9dcbd41fbd4, 0x76f988da831153b5,
0x983e5152ee66dfab, 0xa831c66d2db43210,
0xb00327c898fb213f, 0xbf597fc7beef0ee4,
0xc6e00bf33da88fc2, 0xd5a79147930aa725,
0x06ca6351e003826f, 0x142929670a0e6e70,
0x27b70a8546d22ffc, 0x2e1b21385c26c926,
0x4d2c6dfc5ac42aed, 0x53380d139d95b3df,
0x650a73548baf63de, 0x766a0abb3c77b2a8,
0x81c2c92e47edaee6, 0x92722c851482353b,
0xa2bfe8a14cf10364, 0xa81a664bbc423001,
0xc24b8b70d0f89791, 0xc76c51a30654be30,
0xd192e819d6ef5218, 0xd69906245565a910,
0xf40e35855771202a, 0x106aa07032bbd1b8,
0x19a4c116b8d2d0c8, 0x1e376c085141ab53,
0x2748774cdf8eeb99, 0x34b0bcb5e19b48a8,
0x391c0cb3c5c95a63, 0x4ed8aa4ae3418acb,
0x5b9cca4f7763e373, 0x682e6ff3d6b2b8a3,
0x748f82ee5defb2fc, 0x78a5636f43172f60,
0x84c87814a1f0ab72, 0x8cc702081a6439ec,
0x90befffa23631e28, 0xa4506cebde82bde9,
0xbef9a3f7b2c67915, 0xc67178f2e372532b,
0xca273eceea26619c, 0xd186b8c721c0c207,
0xeada7dd6cde0eb1e, 0xf57d4f7fee6ed178,
0x06f067aa72176fba, 0x0a637dc5a2c898a6,
0x113f9804bef90dae, 0x1b710b35131c471b,
0x28db77f523047d84, 0x32caab7b40c72493,
0x3c9ebe0a15c9bebc, 0x431d67c49c100d4c,
0x4cc5d4becb3e42b6, 0x597f299cfc657e2a,
0x5fcb6fab3ad6faec, 0x6c44198c4a475817
};
SHA512::SHA512()
{
init();
}
void SHA512::init()
{
mLength = 0;
mState[0] = 0x6a09e667f3bcc908;
mState[1] = 0xbb67ae8584caa73b;
mState[2] = 0x3c6ef372fe94f82b;
mState[3] = 0xa54ff53a5f1d36f1;
mState[4] = 0x510e527fade682d1;
mState[5] = 0x9b05688c2b3e6c1f;
mState[6] = 0x1f83d9abfb41bd6b;
mState[7] = 0x5be0cd19137e2179;
}
void SHA512::process(const unsigned char *in, unsigned long inlen)
{
init();
mCurLen = 0;
for (int j = 0; j < inlen; j++){
mBlock[mCurLen] = in[j];
mCurLen++;
mLength += 8;
if (mCurLen == 128){
mCurLen = 0;
#ifdef DEBUG
printf("Block %d\n", inlen / 128);
print1024(mBlock);
#endif // DEBUG
calc();
}
}
//append the '1' bit
mBlock[mCurLen] = 0x80;
mCurLen++;
//if the length is currently above 112 bytes we append zeros and calc()
// Then we can fall back to padding zeros and length encoding like normal
if (mCurLen > 112){
for (; mCurLen < 128; mCurLen++){
mBlock[mCurLen] = 0x00;
}
calc();
mCurLen = 0;
}
//We assume that the data length is less than 2^64
//Hence,the length of the message is 64-bit,namely 8 bytes.
while (mCurLen <= 120){
mBlock[mCurLen] = 0x00;
mCurLen++;
}
//store length
for (int i = mCurLen; i < 128; i++){
mBlock[i] = (unsigned char)(mLength >> (8 * (127 - i)));
}
#ifdef DEBUG
printf("last Block:\n");
print1024(mBlock);
#endif // DEBUG
calc();
}
void SHA512::hash(unsigned char *out)
{
for (int i = 0; i < 8; i++){
STORE64H(mState[i], out + (8 * i));
}
}
void SHA512::calc()
{
uint64_t S[8];
uint64_t W[80];
uint64_t t0, t1;
//copy state into S
for (int i = 0; i < 8; i++){
S[i] = mState[i];
}
// for (int i = 0; i < 128; i += 8)
// W[i >> 3] =
// ((uint64_t)mBlock[i + 0]) << 56 | ((uint64_t)mBlock[i + 1]) << 48 | ((uint64_t)mBlock[i + 2]) << 40 |
// ((uint64_t)mBlock[i + 3]) << 32 | ((uint64_t)mBlock[i + 4]) << 24 | ((uint64_t)mBlock[i + 5]) << 16 |
// ((uint64_t)mBlock[i + 6]) << 8 | ((uint64_t)mBlock[i + 7]);
for (int i = 0; i < 16; i++) {
LOAD64H(W[i], mBlock + (8 * i));
}
#ifdef DEBUG
unsigned char tw[128];
for (int i = 0; i < 16; i++){
STORE64H(W[i], tw + (8 * i));
}
for (int i = 0; i < 16; i++){
printf("W%d=", i);
print64(tw+i*8);
}
#endif // DEBUG
//fill W[16..79]
for (int i = 16; i < 80; i++){
W[i] = gamma1(W[i - 2]) + W[i - 7] + gamma0(W[i - 15]) + W[i - 16];
}
for (int i = 0; i < 80; i++){
t0 = S[7] + ch(S[4], S[5], S[6]) + sigma1(S[4]) + W[i] + const_K[i];
t1 = sigma0(S[0]) + maj(S[0], S[1], S[2]);
S[7] = S[6];
S[6] = S[5];
S[5] = S[4];
S[4] = S[3] + t0;
S[3] = S[2];
S[2] = S[1];
S[1] = S[0];
S[0] = t0 + t1;
unsigned char temp[64];
#ifdef DEBUG
for (int i = 0; i < 8; i++){
STORE64H(S[i], temp + (8 * i));
}
printf("--------------------------Round %d------------------------------\n",i);
printf("a:");
print64(temp);
printf("b:");
print64(temp + 8);
printf("c:");
print64(temp + 16);
printf("d:");
print64(temp + 24);
printf("e:");
print64(temp + 32);
printf("f:");
print64(temp + 40);
printf("g:");
print64(temp + 48);
printf("h:");
print64(temp + 56);
#endif // DEBUG
}
// feedback
for (int i = 0; i < 8; i++){
mState[i] += S[i];
}
}
inline uint64_t SHA512::ch(uint64_t x, uint64_t y, uint64_t z)
{
return ((x& y) ^ ((~x) & z));
}
inline uint64_t SHA512::maj(uint64_t x, uint64_t y, uint64_t z)
{
return (x&y) ^ (x&z) ^ (y&z);
}
inline uint64_t SHA512::rotr(uint64_t x, int n)
{
return ((x >> n) | (x << (64 - n)));
}
inline uint64_t SHA512::shr(uint64_t x, int n)
{
return x >> n;
}
inline uint64_t SHA512::sigma0(uint64_t x)
{
return rotr(x, 28) ^ rotr(x, 34) ^ rotr(x, 39);
}
inline uint64_t SHA512::sigma1(uint64_t x)
{
return rotr(x, 14) ^ rotr(x, 18) ^ rotr(x, 41);
}
inline uint64_t SHA512::gamma0(uint64_t x)
{
return rotr(x, 1) ^ rotr(x, 8) ^ shr(x, 7);
}
inline uint64_t SHA512::gamma1(uint64_t x)
{
return rotr(x, 19) ^ rotr(x, 61) ^ shr(x, 6);
}
SHA512::~SHA512()
{
}
void SHA512::print1024(unsigned char *data)
{
for (int i = 0; i < 128; i++){
printf("%02hhx", data[i]);
if (i % 8 == 7){
printf(" ");
}
if (i % 32 == 31){
printf("\n");
}
}
}
void SHA512::print64(unsigned char data[]){
for (int i = 0; i < 8; i++){
printf("%02hhx", data[i]);
}
printf("\n");
}
hmac.h
/************************************************************************/
/*HMAC： Use SHA512
/*Author: chenweiliang
/*Version: 1.0
/*Note: To see detail information please uncomment macro DEBUG
/*Reference: javafr_RFC_4493
/************************************************************************/
#ifndef __SHA_512_H
#include "sha_512.h"
#endif // !__SHA_512_H
#ifndef __HMAC_H
#define __HMAC_H
#endif
class HMAC : public SHA512
{
public:
HMAC();
HMAC(const unsigned char *in, uint64_t len, const unsigned char *key, uint64_t keyLen, unsigned char *out);
~HMAC();
protected:
private:
//
const static unsigned char IPAD = 0x36;
const static unsigned char OPAD = 0x5c;
//The key after padding
unsigned char mKpadded[MSG_BLOCK_SIZE];
//Length of the key in bytes
unsigned long mKeyLen;
unsigned char mSi[MSG_BLOCK_SIZE];
unsigned char mSo[MSG_BLOCK_SIZE];
void keyPadding(const unsigned char *key, uint64_t keyLen);
};
hmac.cpp
/************************************************************************/
/*HMAC： Use SHA512
/*Author: chenweiliang
/*Version: 1.0
/*Note: To see detail information please uncomment macro DEBUG
/*Reference: javafr_RFC_4493
/************************************************************************/
#ifndef __HMAC_H
#include "hmac.h"
#endif // !__HMAC_H
#include 参考文献
[1]FIPS180-2with change notice.
[2] 密码学算法库TomCrypt
[3] javafr_RFC_4493
[4] RSA算法实现与蒙哥马利算法http://www.cnblogs.com/zhtxwd/archive/2012/02/09/2344165.html
[5] 四种加密算法之RSA源代码-C++ http://blog.csdn.net/zmb2011/article/details/6842099
[6] 密码编码学与网络安全：原理与实践