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SHA3

SHA-3第三代安全散列算法(Secure Hash Algorithm 3)，之前名為Keccak（唸作/ˈkɛtʃæk/或/kɛtʃɑːk/)）算法，設計者宣稱在 Intel Core 2 的CPU上面，此算法的性能是12.5cpb（每字節週期數，cycles per byte）。不過，在硬件實做上面，這個算法比起其他算法明顯的快上很多。

中文名: SHA-3
外文名: Secure Hash Algorithm 3
別名: Keccak

性能: 12.5cpb
學科: 網絡安全
領域: 網絡安全

SHA3歷史

Keccak 是一個加密散列算法，由Guido Bertoni，Joan Daemen，Michaël Peeters，以及Gilles Van Assche在RadioGatún上設計。^[1]
2012年10月2日，Keccak 被選為NIST散列函數競賽的勝利者。SHA-3並不是要取代SHA-2，因為SHA-2並沒有出現明顯的弱點。由於對MD5、SHA-0和SHA-1出現成功的破解，NIST感覺需要一個與之前算法不同的，可替換的加密散列算法，也就是SHA-3。
2014年，NIST發佈了FIPS202 的草案 "SHA-3 Standard: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions"。
2015年8月5日，FIPS 202 最終被 NIST 批准。

SHA3設計

Keccak 使用海綿函數，此函數會將數據與初始的內部狀態做XOR運算，這是無可避免可置換的(inevitably permuted)。在最大的版本，算法使用的內存狀態是使用一個5×5的二維數組，數據類型是64位的字節，總計1600比特。縮版的算法使用比較小的，以2為冪次的字節大小w為1比特，總計使用25比特。除了使用較小的版本來研究加密分析攻擊，比較適中的大小(例如從w=4使用100比特，到w=32使用800比特)則提供了比較實際且輕量的替代方案。^[2]

SHA3Keccak 的置換

置換方法是先定義字的長度為二的某次方，w=2比特。SHA-3的主要應用使用64位的字長，ℓ=6。

內存狀態可以被視為5×5×w的三維數組。令a[i][j][k]代表內存狀態的第(i×5 +j)×w+k個比特（使用小端序，little-endian，參見字節序）。

置換函數是五個子段落(sub-round)作12+2ℓ次的循環，每一個子段落都相當簡單。

SHA3修改

在整個 NIST 散列函數比賽裏面，參賽者允許稍微修改算法解決已經出現的問題。Keccak 的修改有：

循環的數目從12+ℓ變成12+2ℓ，以增加安全度。
填充函數使用比起上述101的方式更加複雜的作法。
吸收比率r增加到安全限制，而非向下舍入到最接近某個2的冪次。

SHA3SHA-3 示例

空字符串的散列值：

SHA3-224("")

6b4e03423667dbb73b6e15454f0eb1abd4597f9a1b078e3f5b5a6bc7

SHA3-256("")

a7ffc6f8bf1ed76651c14756a061d662f580ff4de43b49fa82d80a4b80f8434a

SHA3-384("")

0c63a75b845e4f7d01107d852e4c2485c51a50aaaa94fc61995e71bbee983a2ac3713831264adb47fb6bd1e058d5f004

SHA3-512("")

a69f73cca23a9ac5c8b567dc185a756e97c982164fe25859e0d1dcc1475c80a615b2123af1f5f94c11e3e9402c3ac558f500199d95b6d3e301758586281dcd26

SHAKE128("", 256)

7f9c2ba4e88f827d616045507605853ed73b8093f6efbc88eb1a6eacfa66ef26

SHAKE256("", 512)

46b9dd2b0ba88d13233b3feb743eeb243fcd52ea62b81b82b50c27646ed5762fd75dc4ddd8c0f200cb05019d67b592f6fc821c49479ab48640292eacb3b7c4be

由於雪崩效應，即使一個很小的改變都會產出幾乎完全不同的散列值。舉例來説，把 dog 改成 dof：

SHAKE128("The quick brown fox jumps over the lazy dog", 256)

f4202e3c5852f9182a0430fd8144f0a74b95e7417ecae17db0f8cfeed0e3e66e

SHAKE128("The quick brown fox jumps over the lazy dof", 256)

853f4538be0db9621a6cea659a06c1107b1f83f02b13d18297bd39d7411cf10c

參考資料

1. Dworkin M J. SHA-3 standard: Permutation-based hash and extendable-output functions[R]. 2015.
2. Stallings W. 網絡安全基礎: 應用與標準[M]. 清華大學出版社, 2011.

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最近更新：默言桑蒲93 （2022-05-21）

1 歷史
2 設計
3 Keccak 的置換
4 修改
5 SHA-3 示例