实验九 散列函数实验

实验九 散列函数实验

【实验思考】

参照实验原理，根据算法跟踪实验画出各个算法函数的主要流程图 思考各个散列算法的安全性和优缺点

【实验原理】

散列函数是一种单向密码，即是一个从明文到密文的不可逆映射，只有加密过程，不可解密；同时散列函数可以将任意长度的输入经过变换以后得到固定长度的输出。散列函数在完整性认证和数字签名等领域有广泛应用。

散列函数应满足以下要求：

(1) 算法公开，不需要密钥。

(2) 具有数据压缩功能，可将任意长度的输入转换为固定长度的输出。 (3) 已知m，容易计算出H(m)。

(4) 给定消息散列值H(m)，要计算出m在计算上是不可行的。 (5) 对任意不同的输入m和n，它们的散列值是不能相同的。

一、 MD5算法

MD5(Message-Digest Algorithm 5)即信息-摘要算法，是MD4算法的改进；算法的输入为任意长度的消息，分为512比特长的分组，输出为128比特的消息摘要。处理过程如下： (1) 对消息进行填充，使其比特长度为n512+448(n为正整数)，填充方式是固定的：第一

位为1，其后各位为0。

(2) 附加消息长度，使用上一步骤留出的64比特以小端(最低有效字节/位存储于低地址字节

/位)方式来表示消息被填充前的长度，若消息长度大于264，则以264为模数取模。 (3) 对消息摘要缓冲区初始化，算法使用128比特长的缓冲区来存储中间结果和最终散列值，

将缓冲区表示成4个32比特长的寄存器A、B、C、D，每个寄存器以小端方式存储数据，初始值为(十六进制，低位字节在前)A=01234567，B=89ABCDEF，C=FEDCBA98，D=76543210。

(4) 以分组为单位对消息进行处理，每一个分组都经过压缩函数HMD5处理；HMD5有4

轮处理过程，每轮有16步迭代，4轮处理过程的处理结构一样，所用逻辑函数不同，分别表示为F、G、H、I；每轮的输入为当前处理的消息分组和缓冲区当前的值，输出仍存放在缓冲区中。最后第四轮的输出与第一轮输入的缓冲区值V相加，相加时将V看做4个32比特的字，每个字与第四轮输出的对应的字按模232相加，相加结果为HMD5的输出。

(5) 消息的所有分组均被处理完后，最后一个HMD5的输出即为产生的128位消息摘要。 二、 SHA-1/256算法

SHA的全称为Secure Hash Algorithm(安全杂凑算法)，SHA 家族的五个算法分别是SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512，由美国国家安全局 (NSA) 所设计，

并由美国国家标准与技术研究院(NIST)发布，后四者有时并称为SHA-2。

SHA-1基于MD4算法，算法的输入最大长度为264-1比特，分为512比特长的分组，输出为160比特的消息摘要。处理过程如下： (1) 对消息进行填充，与MD5第一步相同。

(2) 附加消息长度，与MD5第二步类似，不同的是以大端(最高有效字节/位存储于低地址字

节/位)方式来表示消息被填充前的长度。

(3) 对消息摘要缓冲区初始化，算法使用160比特长的缓冲区来存储中间结果和最终散列值，

将缓冲区表示成5个32比特长的寄存器A、B、C、D、E，每个寄存器以大端方式存储数据，初始值为(十六进制，高位字节在前)A=67452301，B=EFCDAB89，C=98BADCFE，D=10325476，E=C3D2E1F0。

(4) 以分组为单位对消息进行处理，每一个分组都经过压缩函数HSHA处理；HSHA有4轮

处理过程，每一轮又有20步迭代；4轮处理过程的处理结构一样，所用逻辑函数不同，分别表示为f1、f2、f3、f4；每轮的输入为当前处理的消息分组和缓冲区当前的值，输出仍存放在缓冲区中。最后第四轮的输出与第一轮输入的缓冲区值V相加，相加时将V看做5个32比特的字，每个字与第四轮输出的对应的字按模232相加，相加结果为HMD5的输出。

(5) 消息的所有分组均被处理完后，最后一个HSHA的输出即为产生的160位消息摘要。

SHA-256使用6个逻辑函数，均基于32位的字进行操作，算法输出的消息摘要为256位。

SHA与MD5处理过程类似，主要区别在于所使用的压缩函数不同。 三、 HMAC算法

HMAC的全称为Hash-based Message Authentication Code(基于散列的消息认证码)，HMAC将散列函数作为一个黑盒使用，，散列函数的实现可作为实现HMAC的一个模块，并可使用新模块代替旧模块。

设H为嵌入的散列函数，M为HMAC的输入消息(包括散列函数所要求的填充位)，Yi(0≤i≤L-1)是M的第i个分组，L为M的分组数，b为一个分组中的比特数，n为嵌入的散列函数所产生的散列值的长度，K为密钥，若密钥长度大于b，则将密钥输入到散列函数中产生一个n比特长的密钥，K+是左边将填充0后的K，K+的长度为b比特，ipad为b/8个00110110，opad为b/8个01011010；则算法的输出可表示为：

【实验环境】

ISES客户端

Microsoft CLR Debugger 2005或其它调试器

【实验步骤】

一、 散列值计算

(1) 选择明文格式，输入明文； (2) 勾选计算使用的算法，默认为全选；

(3) 点击“计算”按钮，使用所选算法分别计算明文的散列值；算法对应的文本框中将显示

相应的散列值，如下图所示。

二、 MD5值比对

(1) 点击“扩展实验”框中的“MD5值比对”按钮，进入MD5值比对窗体。

(2) 相同报文的MD5散列值比对分别在第一组报文和第二组报文处输入相同的报文值，并

计算MD5散列值；点击“异或比较”按钮，进行散列值的比对，非0元个数即为散列值中互不相同的位数，此处为0，即相同报文的散列值相同，如下图所示。

(3) 相似报文的MD5散列值比对保持第一组报文中的内容不变，修改第二组报文值中的最

后一位，计算其散列值，并进行异或比较，结果如下图所示；可以看出对两个极为相似的报文进行散列后得到的散列值差异是非常大的。

三、 MD5扩展实验

(1) 点击“扩展实验”框中的“MD5扩展实验”，进入MD5扩展实验窗体。

(2) 在测试向量文本框中输入任意长度的ASCII字符串，点击“运行”，MD5算法的运行结

果会出现在信息摘要文本框中，如下图所示。

(3) 观察MD5算法的执行过程。点击“算法演示”按钮，激活算法演示界面，如下图所示，

其中表示模232加。

① 在“数据分组编号（q）”文本框中输入一个小于“数据最大分组数”文本框中的非

负整数，然后点击“开始”，启动算法执行，如下图所示。

②点击“第一轮函数变换”按钮，进入轮函数变换窗口。依次点击界面中的按钮，得到MD5算法中的各种中间步骤结果，如下图所示。

③依次执行“第二轮函数变换”，“第三轮函数变换”，“第四轮函数变换”后，进入该组信息摘要变换的最后一步。点击最下面的加法异或按钮，得到该分组的信息摘要结果。具体如下图所示。

四、 SHA扩展实验

SHA扩展实验包括SHA1扩展实验和SHA2-224/256扩展实验等，此处以SHA1扩展实验为例，其他可参照完成。

点击扩展实验下的“SHA1扩展”按钮，进入SHA1扩展实验的主页面。

(1) 在测试向量文本框中输入任意长度的ASCII字符串，点击“运行”，SHA-1算法的运行

结果会出现在信息摘要文本框中，如下图所示。

(2) 观察SHA-1算法的执行过程。点击“算法演示”按钮，激活算法演示界面，如下图所示。

① 在“数据分组编号（q）”文本框中输入一个小于“数据最大分组数”文本框中的非

负整数，然后点击“开始”，启动算法执行。具体如下图所示。

②点击“第一轮函数变换”按钮，进入轮函数变换窗口。依次点击界面中的按钮，得到SHA-1算法中的各种中间步骤结果，如下图所示。

③依次执行“第二轮函数变换”，“第三轮函数变换”，“第四轮函数变换”后，进入该组信息摘要变换的最后一步。点击最下面的模232加法按钮，得到该分组的信息摘要结果。具体如下图所示。

④观察该分组的状态表。点击“状态表（q）”按钮，如下图所示。

五、 SHA-1分步计算

(1) 点击“扩展实验”框中的“SHA1分步计算”按钮，进入SHA1分步骤计算窗体。 (2) 输入明文实验系统支持最长两个数据块的明文，即512+448比特(120字节)，此处以输

入四次26个字母即104字节为例。

(3) 消息填充依次点击“填充1”按钮、“填充0”按钮、“填充长度与分组”按钮，完成消

息的填充，如下图所示，窗体右侧每一步为对应的原理。

(4) 计算首个数据块的摘要点击“初始化”按钮，初始化缓冲区变量；点击“扩充第0—15

组明文”和“扩充第16—79组明文”按钮，完成对明文的扩充；点击“读取变量初始值”和“4轮共80步计算”按钮，完成各轮核心压缩函数的运算；点击求和运算，生成首个数据块最终160位的散列值。上述过程如下图所示。

(5) 计算后续数据块的摘要

点击“设置H0—H4”按钮，计算后续数据块的散列值，如下图所示。

六、 HMAC

(1) 选择明文格式，输入明文； (2) 勾选计算使用的算法，默认为全选；

(3) 点击“计算”按钮，使用所选算法分别计算明文的散列值；算法对应的文本框中将显示

相应的散列值，如下错误！未找到引用源。所示。

七、 算法跟踪

点击“算法跟踪”框中相应的算法跟踪按钮，如“MD5跟踪”按钮，进入调试器，选择对应的算法函数进行算法跟踪；跟踪完成后会自动返回实验界面显示计算结果；切换回调试器，停止调试，关闭调试器，不保存工程。 具体步骤可参照古典密码实验中实验步骤二。

【实验思考】

参照实验原理，根据算法跟踪实验画出各个算法函数的主要流程图 思考各个散列算法的安全性和优缺点

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xg6d.html