【安全算法之SHA512】SHA512摘要运算的C语言源码实现

  • 概述
  • 头文件定义
  • C语言版本的实现源码
  • 测试用例
  • github仓库
  • 更多参考链接

概述

大家都知道摘要算法在安全领域,也是一个特别重要的存在,而SHA512是其中比较常见的一种摘要算法,它的特点就是计算复杂度较低,不等长的数据原文输入,可以得出等长的摘要值,这个值是固定为64字节。正是由于这种特殊性,很多重要的数据完整性校验领域,都可以看到SHAxxx的影子。由于它的摘要值长度比较长,且相对于其他SHA算法,它的计算复杂度会高些,所以使用场景不算特别多。
今天给大家带来SHA512的C源码版本实现,欢迎大家深入学习和讨论。

头文件定义

头文件定义如下,主要定义了SHA512的上下文结构体,以及导出的三个API:


#ifndef __SHA512_H__
#define __SHA512_H__#include <stdint.h>#define SHA512_DIGEST_LEN 64           // SHA512 outputs a 64 byte digesttypedef struct _sha512_ctx_t {uint64_t    total[2];               /*!< number of bytes processed  */uint64_t   state[8];               /*!< intermediate digest state  */uint8_t    buffer[128];            /*!< data block being processed */int32_t        is_384;                 /*!< 0 => SHA-512, else SHA-384 */
} sha512_ctx_t;void crypto_sha512_init(sha512_ctx_t *ctx);
void crypto_sha512_update(sha512_ctx_t *ctx, const uint8_t *data, uint32_t len);
void crypto_sha512_final(sha512_ctx_t *ctx, uint8_t *digest);#endif   // __SHA512_H__

C语言版本的实现源码

下面是SHA512的C语言版本实现,主要也是围绕导出的3个API:


#include <string.h>
#include "sha512.h"#if defined(_MSC_VER) || defined(__WATCOMC__)#define UL64(x) x##ui64
#else#define UL64(x) x##ULL
#endif#define SHA512_VALIDATE_RET(cond)                     \do {                                            \if( !(cond) )                               \{                                           \return( -1 );                           \}                                           \} while( 0 )
#define SHA512_VALIDATE(cond)                       \do {                                            \if( !(cond) )                               \{                                           \return;                                 \}                                           \} while( 0 )/** 64-bit integer manipulation macros (big endian)*/
#ifndef GET_UINT64_BE
#define GET_UINT64_BE(n,b,i)                      \
{                                                 \(n) = ( (uint64_t) (b)[(i)    ] << 56 )       \| ( (uint64_t) (b)[(i) + 1] << 48 )       \| ( (uint64_t) (b)[(i) + 2] << 40 )       \| ( (uint64_t) (b)[(i) + 3] << 32 )       \| ( (uint64_t) (b)[(i) + 4] << 24 )       \| ( (uint64_t) (b)[(i) + 5] << 16 )       \| ( (uint64_t) (b)[(i) + 6] <<  8 )       \| ( (uint64_t) (b)[(i) + 7]       );      \
}
#endif /* GET_UINT64_BE */#ifndef PUT_UINT64_BE
#define PUT_UINT64_BE(n,b,i)                            \
{                                                       \(b)[(i)    ] = (uint8_t) ( (n) >> 56 );       \(b)[(i) + 1] = (uint8_t) ( (n) >> 48 );       \(b)[(i) + 2] = (uint8_t) ( (n) >> 40 );       \(b)[(i) + 3] = (uint8_t) ( (n) >> 32 );       \(b)[(i) + 4] = (uint8_t) ( (n) >> 24 );       \(b)[(i) + 5] = (uint8_t) ( (n) >> 16 );       \(b)[(i) + 6] = (uint8_t) ( (n) >>  8 );       \(b)[(i) + 7] = (uint8_t) ( (n)       );       \
}
#endif /* PUT_UINT64_BE *//** Round constants*/
static const uint64_t K[80] =
{UL64(0x428A2F98D728AE22),  UL64(0x7137449123EF65CD),UL64(0xB5C0FBCFEC4D3B2F),  UL64(0xE9B5DBA58189DBBC),UL64(0x3956C25BF348B538),  UL64(0x59F111F1B605D019),UL64(0x923F82A4AF194F9B),  UL64(0xAB1C5ED5DA6D8118),UL64(0xD807AA98A3030242),  UL64(0x12835B0145706FBE),UL64(0x243185BE4EE4B28C),  UL64(0x550C7DC3D5FFB4E2),UL64(0x72BE5D74F27B896F),  UL64(0x80DEB1FE3B1696B1),UL64(0x9BDC06A725C71235),  UL64(0xC19BF174CF692694),UL64(0xE49B69C19EF14AD2),  UL64(0xEFBE4786384F25E3),UL64(0x0FC19DC68B8CD5B5),  UL64(0x240CA1CC77AC9C65),UL64(0x2DE92C6F592B0275),  UL64(0x4A7484AA6EA6E483),UL64(0x5CB0A9DCBD41FBD4),  UL64(0x76F988DA831153B5),UL64(0x983E5152EE66DFAB),  UL64(0xA831C66D2DB43210),UL64(0xB00327C898FB213F),  UL64(0xBF597FC7BEEF0EE4),UL64(0xC6E00BF33DA88FC2),  UL64(0xD5A79147930AA725),UL64(0x06CA6351E003826F),  UL64(0x142929670A0E6E70),UL64(0x27B70A8546D22FFC),  UL64(0x2E1B21385C26C926),UL64(0x4D2C6DFC5AC42AED),  UL64(0x53380D139D95B3DF),UL64(0x650A73548BAF63DE),  UL64(0x766A0ABB3C77B2A8),UL64(0x81C2C92E47EDAEE6),  UL64(0x92722C851482353B),UL64(0xA2BFE8A14CF10364),  UL64(0xA81A664BBC423001),UL64(0xC24B8B70D0F89791),  UL64(0xC76C51A30654BE30),UL64(0xD192E819D6EF5218),  UL64(0xD69906245565A910),UL64(0xF40E35855771202A),  UL64(0x106AA07032BBD1B8),UL64(0x19A4C116B8D2D0C8),  UL64(0x1E376C085141AB53),UL64(0x2748774CDF8EEB99),  UL64(0x34B0BCB5E19B48A8),UL64(0x391C0CB3C5C95A63),  UL64(0x4ED8AA4AE3418ACB),UL64(0x5B9CCA4F7763E373),  UL64(0x682E6FF3D6B2B8A3),UL64(0x748F82EE5DEFB2FC),  UL64(0x78A5636F43172F60),UL64(0x84C87814A1F0AB72),  UL64(0x8CC702081A6439EC),UL64(0x90BEFFFA23631E28),  UL64(0xA4506CEBDE82BDE9),UL64(0xBEF9A3F7B2C67915),  UL64(0xC67178F2E372532B),UL64(0xCA273ECEEA26619C),  UL64(0xD186B8C721C0C207),UL64(0xEADA7DD6CDE0EB1E),  UL64(0xF57D4F7FEE6ED178),UL64(0x06F067AA72176FBA),  UL64(0x0A637DC5A2C898A6),UL64(0x113F9804BEF90DAE),  UL64(0x1B710B35131C471B),UL64(0x28DB77F523047D84),  UL64(0x32CAAB7B40C72493),UL64(0x3C9EBE0A15C9BEBC),  UL64(0x431D67C49C100D4C),UL64(0x4CC5D4BECB3E42B6),  UL64(0x597F299CFC657E2A),UL64(0x5FCB6FAB3AD6FAEC),  UL64(0x6C44198C4A475817)
};void crypto_sha384_sha512_init(sha512_ctx_t *ctx, int32_t is_384)
{SHA512_VALIDATE( ctx != NULL );memset( ctx, 0, sizeof( sha512_ctx_t ) );ctx->total[0] = 0;ctx->total[1] = 0;if( is_384 == 0 ) {/* SHA-512 */ctx->state[0] = UL64(0x6A09E667F3BCC908);ctx->state[1] = UL64(0xBB67AE8584CAA73B);ctx->state[2] = UL64(0x3C6EF372FE94F82B);ctx->state[3] = UL64(0xA54FF53A5F1D36F1);ctx->state[4] = UL64(0x510E527FADE682D1);ctx->state[5] = UL64(0x9B05688C2B3E6C1F);ctx->state[6] = UL64(0x1F83D9ABFB41BD6B);ctx->state[7] = UL64(0x5BE0CD19137E2179);} else {/* SHA-384 */ctx->state[0] = UL64(0xCBBB9D5DC1059ED8);ctx->state[1] = UL64(0x629A292A367CD507);ctx->state[2] = UL64(0x9159015A3070DD17);ctx->state[3] = UL64(0x152FECD8F70E5939);ctx->state[4] = UL64(0x67332667FFC00B31);ctx->state[5] = UL64(0x8EB44A8768581511);ctx->state[6] = UL64(0xDB0C2E0D64F98FA7);ctx->state[7] = UL64(0x47B5481DBEFA4FA4);}ctx->is_384 = is_384;
}void crypto_sha512_init( sha512_ctx_t *ctx )
{crypto_sha384_sha512_init(ctx, 0);
}static int32_t local_sha512_process( sha512_ctx_t *ctx,const uint8_t data[128] )
{int32_t i;uint64_t temp1, temp2, W[80];uint64_t A, B, C, D, E, F, G, H;SHA512_VALIDATE_RET( ctx != NULL );SHA512_VALIDATE_RET( (const uint8_t *)data != NULL );#define  SHR(x,n) (x >> n)
#define ROTR(x,n) (SHR(x,n) | (x << (64 - n)))#define S0(x) (ROTR(x, 1) ^ ROTR(x, 8) ^  SHR(x, 7))
#define S1(x) (ROTR(x,19) ^ ROTR(x,61) ^  SHR(x, 6))#define S2(x) (ROTR(x,28) ^ ROTR(x,34) ^ ROTR(x,39))
#define S3(x) (ROTR(x,14) ^ ROTR(x,18) ^ ROTR(x,41))#define F0(x,y,z) ((x & y) | (z & (x | y)))
#define F1(x,y,z) (z ^ (x & (y ^ z)))#define P(a,b,c,d,e,f,g,h,x,K)                  \
{                                               \temp1 = h + S3(e) + F1(e,f,g) + K + x;      \temp2 = S2(a) + F0(a,b,c);                  \d += temp1; h = temp1 + temp2;              \
}for( i = 0; i < 16; i++ ) {GET_UINT64_BE( W[i], data, i << 3 );}for( ; i < 80; i++ ) {W[i] = S1(W[i -  2]) + W[i -  7] +S0(W[i - 15]) + W[i - 16];}A = ctx->state[0];B = ctx->state[1];C = ctx->state[2];D = ctx->state[3];E = ctx->state[4];F = ctx->state[5];G = ctx->state[6];H = ctx->state[7];i = 0;do {P( A, B, C, D, E, F, G, H, W[i], K[i] ); i++;P( H, A, B, C, D, E, F, G, W[i], K[i] ); i++;P( G, H, A, B, C, D, E, F, W[i], K[i] ); i++;P( F, G, H, A, B, C, D, E, W[i], K[i] ); i++;P( E, F, G, H, A, B, C, D, W[i], K[i] ); i++;P( D, E, F, G, H, A, B, C, W[i], K[i] ); i++;P( C, D, E, F, G, H, A, B, W[i], K[i] ); i++;P( B, C, D, E, F, G, H, A, W[i], K[i] ); i++;} while( i < 80 );ctx->state[0] += A;ctx->state[1] += B;ctx->state[2] += C;ctx->state[3] += D;ctx->state[4] += E;ctx->state[5] += F;ctx->state[6] += G;ctx->state[7] += H;return( 0 );
}/** SHA-512 process buffer*/
void crypto_sha512_update( sha512_ctx_t *ctx,const uint8_t *data,uint32_t len )
{int32_t ret;uint32_t fill;uint32_t left;SHA512_VALIDATE( ctx != NULL );SHA512_VALIDATE( len == 0 || data != NULL );left = (uint32_t) (ctx->total[0] & 0x7F);fill = 128 - left;ctx->total[0] += (uint64_t) len;if( ctx->total[0] < (uint64_t) len ) {ctx->total[1]++;}if( left && len >= fill ) {memcpy( (void *) (ctx->buffer + left), data, fill );if( ( ret = local_sha512_process( ctx, ctx->buffer ) ) != 0 ) {/* error */return ;}data += fill;len  -= fill;left = 0;}while( len >= 128 ) {if( ( ret = local_sha512_process( ctx, data ) ) != 0 ) {/* error */return ;}data += 128;len  -= 128;}if( len > 0 ) {memcpy( (void *) (ctx->buffer + left), data, len );}
}/** SHA-512 final digest*/
void crypto_sha512_final( sha512_ctx_t *ctx, uint8_t *digest )
{int32_t ret;unsigned used;uint64_t high, low;SHA512_VALIDATE( ctx != NULL );SHA512_VALIDATE( (uint8_t *)digest != NULL );/** Add padding: 0x80 then 0x00 until 16 bytes remain for the length*/used = ctx->total[0] & 0x7F;ctx->buffer[used++] = 0x80;if( used <= 112 ) {/* Enough room for padding + length in current block */memset( ctx->buffer + used, 0, 112 - used );} else {/* We'll need an extra block */memset( ctx->buffer + used, 0, 128 - used );if( ( ret = local_sha512_process( ctx, ctx->buffer ) ) != 0 ) {/* error */return ;}memset( ctx->buffer, 0, 112 );}/** Add message length*/high = ( ctx->total[0] >> 61 )| ( ctx->total[1] <<  3 );low  = ( ctx->total[0] <<  3 );PUT_UINT64_BE( high, ctx->buffer, 112 );PUT_UINT64_BE( low,  ctx->buffer, 120 );if( ( ret = local_sha512_process( ctx, ctx->buffer ) ) != 0 ) {/* error */return ;}/** Output final state*/PUT_UINT64_BE( ctx->state[0], digest,  0 );PUT_UINT64_BE( ctx->state[1], digest,  8 );PUT_UINT64_BE( ctx->state[2], digest, 16 );PUT_UINT64_BE( ctx->state[3], digest, 24 );PUT_UINT64_BE( ctx->state[4], digest, 32 );PUT_UINT64_BE( ctx->state[5], digest, 40 );if( ctx->is_384 == 0 ) {PUT_UINT64_BE( ctx->state[6], digest, 48 );PUT_UINT64_BE( ctx->state[7], digest, 56 );}
}

测试用例

针对SHA512导出的三个接口,我编写了以下测试用例:


#include <stdio.h>
#include <string.h>#include "sha512.h"
#include "convert.h"int log_hexdump(const char *title, const unsigned char *data, int len)
{char str[160], octet[10];int ofs, i, k, d;const unsigned char *buf = (const unsigned char *)data;const char dimm[] = "+------------------------------------------------------------------------------+";printf("%s (%d bytes):\r\n", title, len);printf("%s\r\n", dimm);printf("| Offset  : 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F   0123456789ABCDEF |\r\n");printf("%s\r\n", dimm);for (ofs = 0; ofs < (int)len; ofs += 16) {d = snprintf( str, sizeof(str), "| %08X: ", ofs );for (i = 0; i < 16; i++) {if ((i + ofs) < (int)len) {snprintf( octet, sizeof(octet), "%02X ", buf[ofs + i] );} else {snprintf( octet, sizeof(octet), "   " );}d += snprintf( &str[d], sizeof(str) - d, "%s", octet );}d += snprintf( &str[d], sizeof(str) - d, "  " );k = d;for (i = 0; i < 16; i++) {if ((i + ofs) < (int)len) {str[k++] = (0x20 <= (buf[ofs + i]) &&  (buf[ofs + i]) <= 0x7E) ? buf[ofs + i] : '.';} else {str[k++] = ' ';}}str[k] = '\0';printf("%s |\r\n", str);}printf("%s\r\n", dimm);return 0;
}int main(int argc, const char *argv[])
{const char *data = "C1D0F8FB4958670DBA40AB1F3752EF0D";const char *digest_exp_str = "D2A72FDEFB6C5B3C8DB639869C6BC756EBD11B1D152B29CF55011C31DE0F3807D21C357C583619EE9006B7E4023042200394DC1DDE913463EC6000AA472D8D24";uint8_t digest_calc[SHA512_DIGEST_LEN];uint8_t digest_exp_hex[SHA512_DIGEST_LEN];sha512_ctx_t ctx;const char *p_calc = data;uint8_t data_bytes[128];uint16_t len_bytes;char data_str[128];if (argc > 1) {p_calc = argv[1];}utils_hex_string_2_bytes(data, data_bytes, &len_bytes);log_hexdump("data_bytes", data_bytes, len_bytes);utils_bytes_2_hex_string(data_bytes, len_bytes, data_str);printf("data_str: %s\n", data_str);if (!strcmp(data, data_str)) {printf("hex string - bytes convert OK\n");} else {printf("hex string - bytes convert FAIL\n");}crypto_sha512_init(&ctx);crypto_sha512_update(&ctx, (uint8_t *)p_calc, strlen(p_calc));crypto_sha512_final(&ctx, digest_calc);utils_hex_string_2_bytes(digest_exp_str, digest_exp_hex, &len_bytes);if (len_bytes == sizeof(digest_calc) && !memcmp(digest_calc, digest_exp_hex, sizeof(digest_calc))) {printf("SHA512 digest test OK\n");log_hexdump("digest_calc", digest_calc, sizeof(digest_calc));} else {log_hexdump("digest_calc", digest_calc, sizeof(digest_calc));log_hexdump("digest_exp", digest_exp_hex, sizeof(digest_exp_hex));printf("SHA512 digest test FAIL\n");}return 0;
}

测试用例比较简单,就是对字符串C1D0F8FB4958670DBA40AB1F3752EF0D进行SHA1运算,期望的摘要结果的hexstring是D2A72FDEFB6C5B3C8DB639869C6BC756EBD11B1D152B29CF55011C31DE0F3807D21C357C583619EE9006B7E4023042200394DC1DDE913463EC6000AA472D8D24,这个期望值是用算法工具算出来的。
先用API接口算出摘要值,再与期望值比较,这里有个hexstringtobyte的转换,如果比较一致则表示API计算OK;反之,接口计算失败。
同时,也欢迎大家设计提供更多的测试案例代码。

github仓库

以上代码和测试用例,及编译运行等,可以参考我的github仓库,有详细的流程介绍,欢迎大家交流讨论。如果有帮助到你的话,记得帮忙点亮一颗星哦。

更多参考链接

[1] 【安全算法的github仓库】
[2] 【安全算法之概述】一文带你简要了解常见常用的安全算法
[3] 【安全算法之base64】base64加解密的C语言源码实现
[4] 【安全算法之MD5】MD5摘要运算的C语言源码实现
[5] 【安全算法之SHA1】SHA1摘要运算的C语言源码实现
[6] 【安全算法之SHA224】SHA224摘要运算的C语言源码实现
[7] 【安全算法之SHA256】SHA256摘要运算的C语言源码实现
[8] 【安全算法之SHA384】SHA384摘要运算的C语言源码实现
[9] 【安全算法之SHA512】SHA512摘要运算的C语言源码实现

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