SHA3 安全哈希算法3

SHA-3（Secure Hash Algorithm 3）算法是第三代标准的哈希函数，基于 Keccak 算法实现。与之前的哈希算法有所不同，SHA-3 算法是基于置换 ( permutation-based ) 的加密函数。

Keccak 是一个加密散列算法，由Guido Bertoni，Joan Daemen，Michaël Peeters，以及Gilles Van Assche在RadioGatún上设计。

2012年10月2日，Keccak 被选为NIST散列函数竞赛的胜利者。SHA-3并不是要取代SHA-2，因为SHA-2并没有出现明显的弱点。由于对MD5、SHA-0和SHA-1出现成功的破解，NIST感觉需要一个与之前算法不同的，可替换的加密散列算法，也就是SHA-3。

2014年，NIST发布了FIPS202 的草案 "SHA-3 Standard: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions"。

2015年8月5日，FIPS 202 最终被 NIST 批准。

SHA3 特点

• 高安全性：SHA-3 是在吸取了以往哈希算法的经验教训基础上设计的，具有更高的抗碰撞性（即很难找到两个不同的消息产生相同的哈希值）和安全性，能有效抵御各种攻击手段。它采用了全新的海绵结构，与之前的 SHA-1 和 SHA-2 有很大的不同，使得攻击者难以找到有效的攻击方法。

• 结构灵活：其内部结构可以根据不同的安全需求和性能要求进行调整。

• 不同的输出长度：与 SHA-1 和 SHA-2 类似，SHA-3 可以生成不同长度的哈希值，以满足不同应用场景的需求。

SHA3 适用场景

数字签名

在数字签名中，SHA-3 用于计算消息的哈希值，然后对哈希值进行签名。接收方可以通过验证签名来确保消息的完整性和真实性。

例如，在电子合同签署、软件代码签名等场景中，SHA-3 可以确保合同和代码的完整性，防止被篡改。

消息认证码

消息认证码是一种用于验证消息完整性和真实性的机制。SHA-3 可以作为消息认证码的一部分，用于计算消息的哈希值，然后将哈希值与其他信息一起生成消息认证码。

在网络通信、文件传输等场景中，消息认证码可以确保消息在传输过程中没有被篡改。

密码存储

在密码存储中，通常使用哈希函数对用户密码进行处理，然后将哈希值存储在数据库中。SHA-3 可以用于密码存储，确保用户密码的安全性。即使数据库被攻击者窃取，攻击者也难以通过哈希值反推出原始密码。

区块链

区块链技术中广泛使用哈希函数来确保交易的完整性和不可篡改性。SHA-3 可以作为区块链中的哈希函数，用于计算区块的哈希值、交易的哈希值等。确保区块链中的数据一旦被写入就无法被篡改，从而保证了区块链的安全性和可靠性。

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与其他哈希算法的比较

与 SHA-2 的比较

SHA-3 与 SHA-2 在结构上有很大的不同。SHA-2 采用了基于 Merkle–Damgård 结构的哈希函数，而 SHA-3 采用了海绵结构。

SHA-3 在安全性方面被认为比 SHA-2 更具优势，因为它能够抵抗更多的密码分析攻击。

但是，SHA-2 在目前的应用中仍然非常广泛，因为它已经被广泛接受并且经过了长时间的实践检验。

与 MD5 的比较

MD5 是一种较早的哈希算法，曾经被广泛应用。但是，由于 MD5 存在严重的安全漏洞，已经不适合用于安全要求较高的场景。

SHA-3 相比 MD5 具有更高的安全性和可靠性，能够抵抗更多的攻击。

SHA-3 是如何抵御碰撞攻击的？

SHA-3 能够抵御碰撞攻击主要通过以下几个方面：

独特的海绵结构

• 吸收阶段：将输入数据逐步吸收到内部状态中。在这个过程中，数据会与初始状态进行复杂的运算，使得不同的输入会产生截然不同的内部状态变化。这种设计使得攻击者很难找到两个不同的输入，在吸收阶段产生相同的中间状态。

• 挤压阶段：从内部状态中生成固定长度的输出。由于内部状态的复杂性和吸收阶段的特性，即使攻击者尝试通过暴力搜索等方法寻找碰撞，也面临着巨大的计算困难。

复杂的内部运算

SHA-3 使用了一系列复杂的位运算和逻辑运算，包括置换、异或、与、或等操作。这些运算的组合使得输出结果对输入的微小变化非常敏感。例如，即使两个输入只有一位不同，经过这些运算后，产生的哈希值也会有很大的差异，大大增加了找到碰撞的难度。

大的状态空间

SHA-3 通常具有较大的内部状态空间。较大的状态空间意味着有更多的可能状态，攻击者需要搜索的空间也相应增大。例如，一些 SHA-3 实现可能具有数百位甚至上千位的内部状态，这使得找到两个产生相同哈希值的输入变得极其困难。

抗分析性设计

在设计过程中，SHA-3 经过了严格的密码分析，考虑了各种可能的攻击方法，并采取了相应的防御措施。例如，针对已知的碰撞攻击方法进行分析和防范，确保算法在面对这些攻击时具有足够的安全性。

Java 实现 SHA-3

以下是用 Java 实现 SHA-3 哈希算法的示例代码：

package com.hxstrive.encryption_decryption.sha3;

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class SHA3Example {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            String input = "Hello, World!";
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA3-256");
            byte[] hash = md.digest(input.getBytes());

            StringBuilder hexString = new StringBuilder();
            for (byte b : hash) {
                String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
                if (hex.length() == 1) {
                    hexString.append('0');
                }
                hexString.append(hex);
            }

            System.out.println("SHA-3 哈希值: " + hexString.toString());
            // SHA-3 哈希值: 1af17a664e3fa8e419b8ba05c2a173169df76162a5a286e0c405b460d478f7ef
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上述代码中，使用 MessageDigest.getInstance("SHA3-256") 获取 SHA-3（256 位输出）消息摘要对象。接着，调用 digest 方法计算哈希值，并将其转换为十六进制字符串输出。

注意：不同的 SHA-3 输出长度可以通过传递不同的参数给MessageDigest.getInstance方法来实现，例如"SHA3-512"表示 512 位输出的 SHA-3 算法。

更多关于 SHA3 的专业知识，参考：https://nicodechal.github.io/2019/04/08/hash-funciton-sha3/