c++ 实现SHA-512算法
SHA-512算法，输入为 最大长度小于2^128比特的消息，，输出的是512比特的散列值，输入信息以1024比特的分组为单位进行处理。
首先这里关于最大输入值的考虑，2^128 比特太大了，在我的电脑上是不可能实现的，但为了有一定的处理大数据的能力，我使用txt文件读入数据，至于txt的大小是不限制的，但是每次最多只读取256MB大小的字符串进入来进行计算，读取256m的字符串后，保存在 unsigned long long [0x2000000]中,然后每次对这些数据进行hash，最后输出结果。结果写完了后发现我对从文件中读取并保存数据的操作比写的Hash函数还要麻烦，真是让人蛋疼。
SHA-512的具体步骤如下：
1.对消息进行填充。对原始信息进行填充，是其长度与896模1024同余。填充必须进行，即使消息可能已经满足条件，因为填充数位数 在1 - 1024之间。填充内容为一个1加后续全部为0。在这里我用unsigned char读取数据，则为添加一个128和若干个0.
2.然后再在填充的消息后添加一个128位的块，用来说明填充前消息的长度，表示一个无符号的整数，最高有效位在前，则保存两个unsigned long long,显然数据的大小不可能大于unsignedlonglong的范围的，我读取data.txt也是用unsigned long long 来储存大小的，则使其第一个数存0，第二个数存TextLength即可。
3.初始化hash值，还有初始化80位的常数kt。
4.对每一个1024分组的消息进行80轮运算。一开始先将上一组消息得到的HashI即结果处值保存到HashI-1即中间值上，当作新一分组的输入值，然后对中间值进行80轮运算，得到结果再与结果值相加，得到新的结果值。
其中轮函数为下：
T1 = HashI_1[7] + ((HashI_1[4] & HashI_1[5]) ^ ( (~HashI_1[4]) & HashI_1[6])) + (ROTR(HashI_1[4],14) ^ ROTR(HashI_1[4],18) ^ ROTR(HashI_1[4],41)) +W[t] + Kt[t]; T2 = (ROTR(HashI_1[0],28) ^ ROTR(HashI_1[0],34) ^ ROTR(HashI_1[0],39)) + ((HashI_1[0] & HashI_1[1]) ^ (HashI_1[0] & HashI_1[2]) ^ (HashI_1[1] & HashI_1[2])); HashI_1[7] = HashI_1[6]; HashI_1[6] = HashI_1[5]; HashI_1[5] = HashI_1[4]; HashI_1[4] = HashI_1[3] + T1; HashI_1[3] = HashI_1[2]; HashI_1[2] = HashI_1[1]; HashI_1[1] = HashI_1[0]; HashI_1[0] = T1 + T2;这里被书上给坑了。
消息处理调度如下：
for(j =0; j < 16;j++) W[j] = data [ i*16 +j];//从全部数据中载入本次所需的消息 for(j = 16;j < 80;j++)//将16-79轮的信息计算出 W[j] = (ROTR(W[j-2],19) ^ ROTR(W[j-2],61) ^ (W[j-2]>>6) ) + W[j-7] + ( ROTR(W[j-15],1) ^ ROTR(W[j-15],8) ^ (W[j-15]>>7)) + W[j-16]
这里也被书上给坑了，鄙视一下那本教程。书上说这里的消息处理函数中对j-2和j-15进行的操作是加和左移，而正确的是异或和右移。
5.将所有分组都进行操作后，就可以得到最后的hash值进行输出，现在没有错误了。全部代码如下
// ConsoleApplication5.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
///////////////////////////////SHA-512/////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
unsigned long long data[0x2000000];//载入数据、
unsigned long long T1,T2,W[80];//本轮使用的消息，和分组中保存的消息
unsigned long long HashI_1[8];//中间结果
unsigned long long HashI[8];//最终结果
const unsigned long long Kt[80] = {//80个常数
0x428a2f98d728ae22ULL, 0x7137449123ef65cdULL, 0xb5c0fbcfec4d3b2fULL,
0xe9b5dba58189dbbcULL, 0x3956c25bf348b538ULL, 0x59f111f1b605d019ULL,
0x923f82a4af194f9bULL, 0xab1c5ed5da6d8118ULL, 0xd807aa98a3030242ULL,
0x12835b0145706fbeULL, 0x243185be4ee4b28cULL, 0x550c7dc3d5ffb4e2ULL,
0x72be5d74f27b896fULL, 0x80deb1fe3b1696b1ULL, 0x9bdc06a725c71235ULL,
0xc19bf174cf692694ULL, 0xe49b69c19ef14ad2ULL, 0xefbe4786384f25e3ULL,
0x0fc19dc68b8cd5b5ULL, 0x240ca1cc77ac9c65ULL, 0x2de92c6f592b0275ULL,
0x4a7484aa6ea6e483ULL, 0x5cb0a9dcbd41fbd4ULL, 0x76f988da831153b5ULL,
0x983e5152ee66dfabULL, 0xa831c66d2db43210ULL, 0xb00327c898fb213fULL,
0xbf597fc7beef0ee4ULL, 0xc6e00bf33da88fc2ULL, 0xd5a79147930aa725ULL,
0x06ca6351e003826fULL, 0x142929670a0e6e70ULL, 0x27b70a8546d22ffcULL,
0x2e1b21385c26c926ULL, 0x4d2c6dfc5ac42aedULL, 0x53380d139d95b3dfULL,
0x650a73548baf63deULL, 0x766a0abb3c77b2a8ULL, 0x81c2c92e47edaee6ULL,
0x92722c851482353bULL, 0xa2bfe8a14cf10364ULL, 0xa81a664bbc423001ULL,
0xc24b8b70d0f89791ULL, 0xc76c51a30654be30ULL, 0xd192e819d6ef5218ULL,
0xd69906245565a910ULL, 0xf40e35855771202aULL, 0x106aa07032bbd1b8ULL,
0x19a4c116b8d2d0c8ULL, 0x1e376c085141ab53ULL, 0x2748774cdf8eeb99ULL,
0x34b0bcb5e19b48a8ULL, 0x391c0cb3c5c95a63ULL, 0x4ed8aa4ae3418acbULL,
0x5b9cca4f7763e373ULL, 0x682e6ff3d6b2b8a3ULL, 0x748f82ee5defb2fcULL,
0x78a5636f43172f60ULL, 0x84c87814a1f0ab72ULL, 0x8cc702081a6439ecULL,
0x90befffa23631e28ULL, 0xa4506cebde82bde9ULL, 0xbef9a3f7b2c67915ULL,
0xc67178f2e372532bULL, 0xca273eceea26619cULL, 0xd186b8c721c0c207ULL,
0xeada7dd6cde0eb1eULL, 0xf57d4f7fee6ed178ULL, 0x06f067aa72176fbaULL,
0x0a637dc5a2c898a6ULL, 0x113f9804bef90daeULL, 0x1b710b35131c471bULL,
0x28db77f523047d84ULL, 0x32caab7b40c72493ULL, 0x3c9ebe0a15c9bebcULL,
0x431d67c49c100d4cULL, 0x4cc5d4becb3e42b6ULL, 0x597f299cfc657e2aULL,
0x5fcb6fab3ad6faecULL, 0x6c44198c4a475817ULL,
};
void InitializeHash(){//初始化 HashI_1 HashI
HashI[0] = 0x6a09e667f3bcc908;
HashI[1] = 0xbb67ae8584caa73b;
HashI[2] = 0x3c6ef372fe94f82b;
HashI[3] = 0xa54ff53a5f1d36f1;
HashI[4] = 0x510e527fade682d1;
HashI[5] = 0x9b05688c2b3e6c1f;
HashI[6] = 0x1f83d9abfb41bd6b;
HashI[7] = 0x5be0cd19137e2179;
}
unsigned long long ROTR(unsigned long long x,int n)//循环右移n位
{
return ((x>>n) | (x<<(64-n))) ;
}
void SHA_512(int N){
int i,t,j;
for(i =0; i < N;i++){
for(j =0; j < 16;j++)
W[j] = data [ i*16 +j];//从全部数据中载入本次所需的消息
for(j = 16;j < 80;j++)//将16-79轮的信息计算出
W[j] = (ROTR(W[j-2],19) ^ ROTR(W[j-2],61) ^ (W[j-2]>>6) ) + W[j-7] + ( ROTR(W[j-15],1) ^ ROTR(W[j-15],8) ^ (W[j-15]>>7)) + W[j-16];
for(j = 0;j<8;j++)
HashI_1[j] = HashI[j];//每次开始输入之前，将之前得到的输出读入，然后对中间的hashI_1值进行操作，输出给HashI
for(t =0 ;t < 80 ;t++){//80轮操作
T1 = HashI_1[7] + ((HashI_1[4] & HashI_1[5]) ^ ( (~HashI_1[4]) & HashI_1[6]))
+ (ROTR(HashI_1[4],14) ^ ROTR(HashI_1[4],18) ^ ROTR(HashI_1[4],41)) +W[t] + Kt[t];
T2 = (ROTR(HashI_1[0],28) ^ ROTR(HashI_1[0],34) ^ ROTR(HashI_1[0],39))
+ ((HashI_1[0] & HashI_1[1]) ^ (HashI_1[0] & HashI_1[2]) ^ (HashI_1[1] & HashI_1[2]));
HashI_1[7] = HashI_1[6];
HashI_1[6] = HashI_1[5];
HashI_1[5] = HashI_1[4];
HashI_1[4] = HashI_1[3] + T1;
HashI_1[3] = HashI_1[2];
HashI_1[2] = HashI_1[1];
HashI_1[1] = HashI_1[0];
HashI_1[0] = T1 + T2;
}
for(j = 0;j < 8;j++)
HashI[j] += HashI_1[j];//得到输出
}
}
int main(){
int i,t,k ,l,j=0;
int N ,M;//n个1024,M个256m
unsigned char lastChar[128];
unsigned long long TxtLength;
unsigned long long r;
InitializeHash();
fstream dataf("data.txt",ios::in | ios::binary );
dataf.seekp(0,ios::end);
TxtLength = dataf.tellp();//获得文件的大小
dataf.seekp(0,ios::beg);
N = 1<<21;//256m中 含有 1^21个的1024
M = (TxtLength>>28) + 1;//获得数据有多少个256m的块
for( t = 0; t < M;t++){
if( t == M-1){
N =(TxtLength - (1<<28)*(M-1)) >>7 ;//当只剩下最后一组256m时，计算剩下的1024组数-1
for( i =0;i< N;i++){//将剩下的满1024的组先读入
dataf.read((char*)lastChar,128);//一次读取128个char
for(k = 0;k<16;k++){
data[j] = 0;
for(l = 0;l < 8;l++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[k*8 + l];
j++;
}
}
N = TxtLength - (1<<28)*(M-1) - (N<<7);//计算最后剩下的字节数
for( i = 0;i < N;i++)
dataf.read((char*)(&lastChar[i]),1);
if( i >= 112){//补余时，若最后一段大于896则必须再加一层1024.
lastChar[i++] = 128;//最高位填充1之后填充0
for(;i < 128;i++)
lastChar[i] = 0;
for(i = 0;i < 16;i++){
data[j] = 0;
for(k = 0;k < 8;k++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[i*8 + k];
j++;
}
for(i=0;i < 112;i++)//新的1024行要再次填充到896位
lastChar[i] = 0;
}else{
lastChar[i++] = 128;//最高位填充1之后填充0
for(;i < 112;i++)
lastChar[i] = 0;
}
//最后128位为消息长度，第一个数固定为0，第二个数直接为TextLength * 8
//将数据从lastChar数组中读入到data数组中
for(i = 0;i < 14;i++){
data[j] = 0;
for(k = 0;k < 8;k++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[i*8 + k];
j++;
}
data[j++] = 0;
data[j++] = TxtLength<<3 ;
N = j>>4;//j的数量肯定是合理的，则可以由此时j的数量得到最后1024的组数
SHA_512(N);//进行hash
}else{
for( i =0;i<N;i++){
dataf.read((char*)lastChar,128);
for(k = 0;k<16;k++){
data[j] = 0;
for(l = 0;l < 8;l++)
data[j] = (data[j]<<8) | lastChar[k*8 + l];
j++;
}
}
SHA_512(N);//
}
}
dataf.close();
cout<<"Hash结果如下"<<endl;
for(j = 0; j < 8;j++)
printf("%016I64x\n",HashI[j]);
cin>>lastChar[0];
return 0;
}