用PHP达成自己的sha-256哈希算法！
发布时间：2022-07-09 12:43:57 所属栏目：PHP教程 来源：互联网
导读：哈希 又称作 散列，它接收任何一组任意长度的输入信息，通过 哈希 算法变换成固定长度的数据指纹，该指纹就是 哈希值。总体而言，哈希 可理解为一种消息摘要。 在 PHP 中有这个函数 hash()，可以计算字符串的哈希值，出于好奇我 Google 了一下哈希计算的具体
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哈希 又称作 “散列”，它接收任何一组任意长度的输入信息，通过 哈希 算法变换成固定长度的数据指纹，该指纹就是 哈希值。总体而言，哈希 可理解为一种消息摘要。 在 PHP 中有这个函数 hash()，可以计算字符串的哈希值，出于好奇我 Google 了一下哈希计算的具体步骤，并使用 PHP 编写了一套计算 sha-256 哈希值的代码。当然除了 sha-256 以外还有一些别的哈希算法，只是目前 sha-256 用的多一些。下面是目前 美国国家标准与技术研究院 发布哈希算法： 哈希算法 输入大小（bits） 分块大小（bits） 行大小（bits） 生成二进制长度（bits） 生成十六进制长度（chars） sha1 < 2^64 512 32 160 40 sha-224 < 2^64 512 32 224 56 sha-256 < 2^64 512 32 256 64 sha-384 < 2^128 1024 64 384 96 sha-512 < 2^128 1024 64 512 128 sha-512/224 < 2^128 1024 64 224 56 sha-512/256 < 2^128 1024 64 256 64 在编写过程中我主要参考了以下文档和站点： Lane Wagner - How SHA-256 Works Step-By-Step：https://blog.boot.dev/cryptography/how-sha-2-works-step-by-step-sha-256/ Secure Hash Standard (SHS) - FIPS 180-4（官方文档）：https://csrc.nist.gov/publications/detail/fips/180/4/final ASCII Table：https://www.asciitable.com/ 本文内容较多，主要分为下面这几个部分，读者阅读时可以先跳过 准备二：助手方法 直接进入 步骤 部分，在阅读 步骤 部分需要用到指定方法时再回过头来查阅 准备二：助手方法 中的函数。 准备一：代码主体 准备二：助手方法（阅读时可先跳过） 步骤一：字符串转二进制 步骤二：追加数字 1 步骤三：填充至 512 的倍数 步骤四：追加原始长度信息 步骤五：切分区块并填充至 2048 位 步骤六：区块数据修改 步骤七：压缩 准备一：代码主体 我们创建一个类 Algorithm 来存放我们计算哈希所需要用到的方法和属性。这个类中只有一个 public 的方法 sha256()，此方法传入一个字符串参数，输出此字符串的 sha-256 哈希值。要完成我们的哈希计算，总共需要经过七个步骤，我们先把这七个步骤的调用写到 sha256() 的函数体中。 <?php declare(strict_types=1); class Algorithm { public function sha256(string $str): string { // 步骤一：将字符串转化为二进制 $this->step1_convert_str_to_bits($str); // 步骤二：在最后面追加一个1 $this->step2_append_1(); // 步骤三：在数据末尾添加0，确保二进制的个数是512的倍数，最后预留64位用于存储原始长度信息 $this->step3_extend_to_multiple_of_512(); // 步骤四：把原始字符串位长度，填充到预留在最后的64位（8个字节的长整型）中 $this->step4_append_origin_length(); // 步骤五：每一个512位切分区块，在区块末尾填充0，使得每个区块位数为2048位，需要增加48行（32位一行） $this->step5_split_blocks_and_append_48_lines(); // 步骤六：针对每一个2048位区块处理：以32位为一行，总共有64行，修改【16-63】行的数据 $this->step6_modify_blocks_appended_48_lines(); // 步骤七：压缩数据，生成最终的哈希值 return $this->step7_compress_to_final_hash(); } } 除了 sha256() 这个函数外， 我们要需要几个成员属性来保存计算过程中产生的数据。 $originLen 属性用于记录字符串被转化为二进制之后的原始长度，这个长度值后续会追加到数据中去。 /** @var int 原始数据的二进制长度 */ private int $originLen = 0; $bits 属性用于储存字符串转化后得到的二进制数据。 /** @var array 存储二进制数组 */ private array $bits; $blocks 存放分块后的二进制数据。 /** @var array 二进制区块 */ private array $blocks; H 哈希计所需的常量，hash-256 的 8 个哈希常量是质数 2、3、5、7、11、13、17、19 各自平方根取二进制小数部分前 32 位所得。 /** @var array 质数平方根常量 */ private const H = [ 0x6a09e667, // 质数2的平方根取二进制小数部分前32位 0xbb67ae85, // 质数3的平方根取二进制小数部分前32位 0x3c6ef372, // 质数5的平方根取二进制小数部分前32位 0xa54ff53a, // 质数7的平方根取二进制小数部分前32位 0x510e527f, // 质数11的平方根取二进制小数部分前32位 0x9b05688c, // 质数13的平方根取二进制小数部分前32位 0x1f83d9ab, // 质数17的平方根取二进制小数部分前32位 0x5be0cd19, // 质数19的平方根取二进制小数部分前32位 ]; 对于上面这几个常量，感兴趣的同学也可以自己计算得到，我这里只提供一个简单的计算示例，以质数 2 为例，我们先通过计算器得到它的平方根：1.4142135623730950488016887242097 然后只取小数部分：0.4142135623730950488016887242097，接着将这个十进制的小数转为二进制，转为流程如下： 小数转二进制 0. 0.4142135623730950488016887242097 x 2 => 0 0.8284271247461900976033774484194 x 2 => 1 0.6568542494923801952067548968388 x 2 => 1 0.3137084989847603904135097936776 x 2 => 0 0.6274169979695207808270195873552 x 2 => 1 0.2548339959390415616540391747104 x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 1 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 1 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 1 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 1 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 1 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 1 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 0.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ x 2 => 0 . . . 上面计算得到的小数部分二进制，取前 32 位：01101010 00001001 11100110 01100111，转为十六进制表示：0x6a09e667，其他几个质数的计算也是类似。当然由于是常量，值是固定不变的，所以我们只要知道其计算原理即可。 和上面的平方根常量类似，hash-256 的另外 64 个常量是质数 2、3、5、…、311 各自立方根取二进制小数部分前 32 位。 /** @var array 质数立方根常量 */ private const K = [ 0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5, 0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5, 0xd807aa98, 0x12835b01, 0x243185be, 0x550c7dc3, 0x72be5d74, 0x80deb1fe, 0x9bdc06a7, 0xc19bf174, 0xe49b69c1, 0xefbe4786, 0x0fc19dc6, 0x240ca1cc, 0x2de92c6f, 0x4a7484aa, 0x5cb0a9dc, 0x76f988da, 0x983e5152, 0xa831c66d, 0xb00327c8, 0xbf597fc7, 0xc6e00bf3, 0xd5a79147, 0x06ca6351, 0x14292967, 0x27b70a85, 0x2e1b2138, 0x4d2c6dfc, 0x53380d13, 0x650a7354, 0x766a0abb, 0x81c2c92e, 0x92722c85, 0xa2bfe8a1, 0xa81a664b, 0xc24b8b70, 0xc76c51a3, 0xd192e819, 0xd6990624, 0xf40e3585, 0x106aa070, 0x19a4c116, 0x1e376c08, 0x2748774c, 0x34b0bcb5, 0x391c0cb3, 0x4ed8aa4a, 0x5b9cca4f, 0x682e6ff3, 0x748f82ee, 0x78a5636f, 0x84c87814, 0x8cc70208, 0x90befffa, 0xa4506ceb, 0xbef9a3f7, 0xc67178f2, ]; 准备二：助手函数 你可以直接跳过此部分内容，从下面的 步骤一 开始着手去计算哈希值，当需要使用到某一个助手函数的时候再来这里查找即可。 在计算哈希的过程中，我们是把二进制数据存储到数组中的，数组中的每一个元素对应了二进制的一个比特位，所以如果要对这些二进制数组进行 与 非 异或 相加 等操作，我们就需要实现自己的操作函数。 十进制整数转化为二进制数组。 /** * 十进制整数转化为二进制数组 * @param int $num 十进制整数 * @param int $fillTo 填充到多少位，不够的用0来补齐 */ public function int2bits(int $num, int $fillTo = 0): array { $bits = str_split(decbin($num)); array_walk($bits, function (&$val) { $val = intval($val); }); for ($len = count($bits); $len < $fillTo; $len++) { array_unshift($bits, 0); } return $bits; } 二进制数组向右移动指定位数。 /** * 二进制数组向右移动 * @param array $bits 二进制数组 */ public function rightShift(array $bits, int $move): array { $len = count($bits); $move = $move % $len; if ($move <= 0) return $bits; return array_merge(array_fill(0, $move, 0), array_slice($bits, 0, $len-$move)); } 二进制数组向右旋转，与右移类似，不过移出去的数要插回到头部。 /** * 二进制数组向右旋转 * @param array $bits 二进制数组 */ public function rightRotate(array $bits, int $move): array { $len = count($bits); $move = $move % $len; if ($move <= 0) return $bits; return array_merge(array_slice($bits, $len-$move, $move), array_slice($bits, 0, $len-$move)); } 二进制数组求 非。 /** * 二进制数组求非 * @param array $bits 二进制数组 */ public function not(array $bits): array { for ($i = count($bits)-1; $i >= 0; $i--) { $bits[$i] = ($bits[$i] == 0) ? 1 : 0; } return $bits; } 多个二进制数组相 与。 /** * 二进制数组求与 * @param array $args 二进制数组 */ public function and(array ...$args): array { $argc = count($args); if ($argc == 0) return []; for ($i = 1; $i < $argc; $i++) { $j = count($args[0]) - 1; $k = count($args[$i]) - 1; while ($j >= 0 || $k >= 0) { $j < 0 and array_unshift($args[0], 0) and $j = 0; // 如果是$args[0]不够长就头插补齐 ($args[$i][$k] ?? 0) == 0 and $args[0][$j] = 0; $j--; $k--; } } return $args[0]; } 多个二进制数组求 异或。 /** * 二进制数组求异或 * @param array $args 二进制数组 */ public function xor(array ...$args): array { $argc = count($args); if ($argc == 0) return []; for ($i = 1; $i < $argc; $i++) { $j = count($args[0]) - 1; $k = count($args[$i]) - 1; while ($j >= 0 || $k >= 0) { $j < 0 and array_unshift($args[0], 0) and $j = 0; // 如果是$args[0]不够长就头插补齐 $args[0][$j] = intval($args[0][$j] != ($args[$i][$k] ?? 0)); $j--; $k--; } } return $args[0]; } 多个二进制数组 相加。 /** * 二进制数组相加 * @param array $args 二进制数组 */ public function add(array ...$args): array { $argc = count($args); if ($argc == 0) return []; for ($i = 1; $i < $argc; $i++) { $carry = 0; $j = count($args[0]) - 1; $k = count($args[$i]) - 1; while ($j >= 0 || $k >= 0) { $j < 0 and array_unshift($args[0], 0) and $j = 0; // 如果是$args[0]不够长就头插补齐 $carry += $args[0][$j] + ($args[$i][$k] ?? 0); switch ($carry) { case 1: $carry = 0; $args[0][$j] = 1; break; case 2: $carry = 1; $args[0][$j] = 0; break; case 3: $carry = 1; $args[0][$j] = 1; break; } $j--; $k--; } $carry == 1 and array_unshift($args[0], $carry); // 计算完后还有进位则加长存放 } return array_slice($args[0], -32); // 计算结果只保留32位 } 打印二进制数组，用于调试用途，每 8 位会补一个空格，每 32 位补两个空格，每 64 位换一行，每 512 位空一行，让打印的数据更容易查看。 （编辑：我爱故事小小网_铜陵站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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