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Implementieren Sie Ihren eigenen SHA-256-Hashing-Algorithmus in PHP!

藏色散人
藏色散人nach vorne
2022-05-23 11:39:227419Durchsuche

Hash wird auch „Hash“ genannt. Er empfängt einen beliebigen Satz von Eingabeinformationen beliebiger Länge und wandelt ihn durch den Hash-Algorithmus in einen Datenfingerabdruck fester Länge um. Insgesamt kann man sich einen Hash als einen Nachrichten-Digest vorstellen.

Es gibt diese Funktion hash() in PHP, die den Hash-Wert einer Zeichenfolge berechnen kann. Aus Neugier habe ich die spezifischen Schritte der Hash-Berechnung gegoogelt und eine Reihe von Berechnungen für den sha-256-Hash-Wert mit PHP geschrieben. Code. Natürlich gibt es neben sha-256 noch andere Hash-Algorithmen, aber derzeit wird sha-256 häufiger verwendet. Das Folgende ist der derzeit vom National Institute of Standards and Technology veröffentlichte Hash-Algorithmus:

102410246425664

Während des Schreibprozesses habe ich hauptsächlich auf die folgenden Dokumente und Websites verwiesen: 

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/

Dieser Artikel hat viel Inhalt und ist hauptsächlich in die folgenden Teile unterteilt. Beim Lesen können Leser Vorbereitung 2: Assistentenmethode überspringen und direkt weitermachen Gehen Sie nach dem Lesen des Abschnitts „Wenn Sie die angegebene Methode im Schrittabschnitt verwenden müssen“ zurück und überprüfen Sie die Funktionen in „Vorbereitung 2: Assistentenmethode“.

  • Vorbereitung 1: Codekörper

  • Vorbereitung 2: Assistentenmethode (Sie können sie beim Lesen überspringen)

  • Schritt 1: Zeichenfolge in Binär umwandeln

  • Schritt 2: Nummer 1 anhängen

  • Schritt drei: Auf ein Vielfaches von 512 auffüllen

  • Schritt vier: Ursprüngliche Längeninformationen anhängen

  • Schritt fünf: Den Block teilen und auf 2048 Bits auffüllen

  • Schritt sechs: Blockdaten ändern

  • Schritt 7: Komprimierung

Vorbereitung 1: Codekörper

Wir erstellen einen Klassenalgorithmus, um die Methoden und Attribute zu speichern, die wir zur Berechnung des Hashs benötigen. In dieser Klasse gibt es nur eine öffentliche Methode sha256(). Diese Methode übergibt einen String-Parameter und gibt den sha-256-Hash-Wert des Strings aus. Um unsere Hash-Berechnung abzuschließen, müssen wir insgesamt sieben Schritte durchlaufen. Die Aufrufe dieser sieben Schritte schreiben wir zunächst in den Funktionskörper von sha256(). 

<?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();
    }
}

Zusätzlich zur Funktion sha256() benötigen wir mehrere Mitgliedsattribute, um die während des Berechnungsprozesses generierten Daten zu speichern. Das Attribut

$originLen wird verwendet, um die ursprüngliche Länge der Zeichenfolge aufzuzeichnen, nachdem sie in eine Binärdatei umgewandelt wurde. Dieser Längenwert wird später an die Daten angehängt. Das Attribut 

/** @var int 原始数据的二进制长度  */
private int $originLen = 0;

$bits wird zum Speichern von Binärdaten verwendet, die nach der String-Konvertierung erhalten werden. 

/** @var array 存储二进制数组 */
private array $bits;

$blocks speichert Binärdaten, die in Blöcke unterteilt sind. 

/** @var array 二进制区块 */
private array $blocks;

H Die vom Hash-Meter benötigten Konstanten, die 8 Hash-Konstanten von Hash-256, werden durch Ziehen der ersten 32 Ziffern des binären Dezimalteils der Quadratwurzeln der Primzahlen 2, 3, 5, 7, 11 erhalten , 13, 17 und 19. 

/** @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
];

Für die oben genannten Konstanten können interessierte Schüler sie auch selbst berechnen. Am Beispiel der Primzahl 2 ziehen wir zunächst ihre Quadratwurzel durch den Rechner: 1,4142135623730950488016887242097 Dezimalteil: 0,4142135623730950488016887242097, dann konvertieren Sie diese Dezimalzahl in Binärzahl. Der Konvertierungsprozess ist wie folgt: 

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
. . .

Der oben berechnete Dezimalteil in Binärform, nehmen Sie die ersten 32 Ziffern: 01101010 00001001 11100110. 011 00111, Konvertieren in hexadezimale Darstellung: 0x6a09e667 , das Berechnungen für mehrere andere Primzahlen sind ähnlich. Da es sich natürlich um eine Konstante handelt, ist der Wert fest, sodass wir nur das Berechnungsprinzip kennen müssen.

Ähnlich wie die Quadratwurzelkonstante oben sind die anderen 64 Konstanten von Hash-256 die ersten 32 Ziffern des binären Dezimalteils jeder Kubikwurzel der Primzahlen 2, 3, 5, ..., 311. 

/** @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,
];

Vorbereitung 2: Assistentenfunktion

Sie können diesen Teil direkt überspringen und mit Schritt 1 unten beginnen, um den Hash-Wert zu berechnen. Wenn Sie eine bestimmte Assistentenfunktion verwenden müssen, kommen Sie einfach hierher, um sie zu finden.

Bei der Hash-Berechnung speichern wir Binärdaten in einem Array. Jedes Element im Array entspricht einem Binärbit. Wenn wir also AND, Nicht-XOR, Addition usw. an diesen Binärarrays durchführen möchten , müssen wir unsere eigene Betriebsfunktion implementieren.

Dezimale Ganzzahl in binäres Array umwandeln. 

/**
 * 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;
}

Verschiebt ein binäres Array um die angegebene Anzahl von Stellen nach rechts. 

/**
 * 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));
}

Das binäre Array wird nach rechts gedreht, ähnlich wie bei der Rechtsverschiebung, aber die herausbewegte Zahl muss wieder an den Kopf eingefügt werden. 

/**
 * 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));
}

Kein binäres Array. 

/**
 * 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;
}

UND mehrere binäre Arrays. 

/**
 * 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];
}

XOR mehrere binäre Arrays. 

/**
 * 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];
}

Fügen Sie mehrere binäre Arrays hinzu. 

/**
 * 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
}

Binärarray für Debugging-Zwecke drucken. Für alle 8 Bits wird ein Leerzeichen hinzugefügt, für alle 32 Bits werden zwei Leerzeichen hinzugefügt, alle 64 Bits wird eine Zeile geändert und alle 512 Bits wird eine leere Zeile übrig bleiben. wodurch die gedruckten Daten leichter sichtbar sind. 

/**
 * 打印二进制数组
 * @param array $bits 二进制数组
 */
public function printBits(array $bits): void
{
    $len = 0;
    foreach ($bits as $bit) {
        if ($len > 0) {
            if ($len % 512 == 0) echo PHP_EOL;
            if ($len % 64 == 0) {
                echo PHP_EOL;   
            } else {
                if ($len % 32 == 0) echo &#39; &#39;;
                if ($len % 8 == 0) echo &#39; &#39;;
            }
        }
        echo $bit;
        $len++;
    }
    echo PHP_EOL;
}

Konvertieren Sie das binäre Array in ein hexadezimales Array für den letzten Schritt, um das Binärarray in einen Hashwert-String umzuwandeln. 

/**
 * 二进制数组转化为十六进制
 * @param array $bits 二进制数组
 */
public function bits2hex(array $bits): string
{
    $str = &#39;&#39;;
    for ($i = count($bits)-1; $i >= 0; $i -= 4) {
        $dec = $bits[$i] + ($bits[$i-1] ?? 0)*2 + ($bits[$i-2] ?? 0)*4 + ($bits[$i-3] ?? 0)*8;
        switch ($dec) {
            case 0:  $str = &#39;0&#39; . $str; break;
            case 1:  $str = &#39;1&#39; . $str; break;
            case 2:  $str = &#39;2&#39; . $str; break;
            case 3:  $str = &#39;3&#39; . $str; break;
            case 4:  $str = &#39;4&#39; . $str; break;
            case 5:  $str = &#39;5&#39; . $str; break;
            case 6:  $str = &#39;6&#39; . $str; break;
            case 7:  $str = &#39;7&#39; . $str; break;
            case 8:  $str = &#39;8&#39; . $str; break;
            case 9:  $str = &#39;9&#39; . $str; break;
            case 10: $str = &#39;a&#39; . $str; break;
            case 11: $str = &#39;b&#39; . $str; break;
            case 12: $str = &#39;c&#39; . $str; break;
            case 13: $str = &#39;d&#39; . $str; break;
            case 14: $str = &#39;e&#39; . $str; break;
            case 15: $str = &#39;f&#39; . $str; break;
        }
    }
    return $str;
}

Schritt 1: String in Binär umwandeln

Hier verwenden wir den String „Hallo Welt“, um den gesamten Hash-Berechnungsprozess zu demonstrieren. Wir können zunächst die in PHP integrierte Hash-Funktion verwenden, um das Ergebnis zu berechnen. Der Hash-Wert von „Hallo Welt“ lautet „b94d27b9934d3e08a52e52d7da7dabfac484efe37a5380ee9088f7ace2efcde9“.

Zuerst teilen wir „Hallo Welt“ in Zeichen auf. Diese ASCII-Codewerte sind alle ganze Zahlen von 0-256. Sie können die ord()-Funktion von PHP verwenden, um diese Zeichen in Ganzzahlen umzuwandeln, diese Ganzzahlen dann in die entsprechende Binärzahl umzuwandeln und sie im Attribut $bits zu speichern. Und speichern Sie den Längenwert von $bits zu diesem Zeitpunkt im Attribut $originLen.

„Hallo Welt“ in Binärdaten umgewandelt ist: 

“hello world”
01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111
01110010 01101100 01100100
/**
 * 步骤一：将字符串转化为二进制
 * @param string $str 原始字符串
 */
public function step1_convert_str_to_bits(string $str): void
{
    $this->bits = [];
    $chars = str_split($str);
    foreach ($chars as $char) {
        $this->bits = array_merge($this->bits, $this->int2bits(ord($char), 8));
    }
    $this->originLen = count($this->bits);
}

Schritt 2: Hängen Sie die Zahl 1 an

Dann fügen Sie am Ende des Binärarrays eine 1 hinzu. 

$bits
01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111
01110010 01101100 01100100 1
rrree

Schritt 3: Auf ein Vielfaches von 512 auffüllen

在二进制数组的末尾添加 0 以使得整个二进制数组的个数刚好是 512 的倍数。需要注意的是，二进制数组的最末尾要预留 64 位用于存放原始二进制的长度。也就是一开始将字符串转换成二进制时的长度，我们在 步骤一 中将这个长度值保存到了 $originLen 属性里。

$bits
01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111
01110010 01101100 01100100 10000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
[    预留 64 位用于存储原始字符串的长度    ]
/**
 * 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
 */
public function step3_extend_to_multiple_of_512(): void
{
    $rem = (count($this->bits) + 64) % 512;
    if ($rem > 0) {
        while ($rem < 512) {
            $this->bits[] = 0;
            $rem++;
        }
    }
}

步骤四：追加原始长度信息

把之前记录的原始数据长度 $originLen 转换为 64 位的二进制追加到 $bits 末尾。

$bits
01101000 01100101 01101100 01101100  01101111 00100000 01110111 01101111
01110010 01101100 01100100 10000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000  00000000 00000000 00000000 01011000
/**
 * 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
 */
public function step4_append_origin_length(): void
{
    $this->bits = array_merge($this->bits, $this->int2bits($this->originLen, 64));
}

步骤五：切分区块并填充至 2048 位

经过 步骤四 之后，$bits 二进制数组的个数已经是 512 的倍数，现在以每 512 位分为一个区块，然后在每个区块末尾填充 0，让每个区块的大小变成 2048 位。每个区块的 2048 位数据以 32 位作为一行，那么就有 64 行。由于 "hello world" 数据比较短，我们就只有一个区块。

Hash-Algorithmus Eingabegröße (Bits) Blockgröße (Bits) Zeilengröße (Bits) Binärlänge generieren (Bits) Hexadezimale Länge generieren (Zeichen)
sha1 < 2^64 512 32 160 40
sha -224 < ; 64. 512 64 sha-384 < 2^128
64 384 96 sha-512 < 2^128
64 512 128 sha- 512/224 2^128
- $blocks[0] $blocks[0] -
0
2
4
6
8
10
12
14

16
18
20
22
24
26
28
30

32
34
36
38
40
42
44
46

48
50
52
54
56
58
60
62		 01101000 01100101 01101100 01101100
01110010 01101100 01100100 10000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000		 01101111 00100000 01110111 01101111
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 01011000

00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000		 1
3
5
7
9
11
13
15

17
19
21
23
25
27
29
31

33
35
37
39
41
43
45
47

49
51
53
55
57
59
61
63		 
/**
 * 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，经计算
 * 每个区块还需要添加48x32个0
 */
public function step5_split_blocks_and_append_48_lines(): void
{
    $this->blocks = [];
    $append = $this->int2bits(0, 48 * 32);
    $len = count($this->bits);
    for ($i = 0; $i < $len; $i += 512) {
        $this->blocks[] = array_merge(array_slice($this->bits, $i, 512), $append);
    }
}

步骤六：区块数据修改

上一步中我们给每一个区块末尾添加了很多 0，在这一步中，通过一些位操作将这些数据进一步调整。按 32 位为一行，我们需要修改新增加的 16-63 行的数据。修改的逻辑如下：

算法逻辑

For i from w[16…63]:
    s0 = (w[i-15] rightrotate 7) xor (w[i-15] rightrotate 18) xor (w[i-15] rightshift 3)
    s1 = (w[i-2] rightrotate 17) xor (w[i- 2] rightrotate 19) xor (w[i- 2] rightshift 10)
    w[i] = w[i-16] + s0 + w[i-7] + s1

其中 w 是每个区块的行数组，w[i] 就是第 i 行。

rightshift 是右移，rightrotate 是旋转右移， xor 是异或。

这里以第 16 行的处理为例：

算法详解

i = 16
(w[1] rightrotate 7) = 01101111001000000111011101101111 -> 11011110110111100100000011101110
(w[1] rightrotate 18) = 01101111001000000111011101101111 -> 00011101110110111101101111001000
(w[1] rightshift 3) = 01101111001000000111011101101111 -> 00001101111001000000111011101101
s0 = (w[1] rightrotate 7) xor (w[1] rightrotate 18) xor (w[1] rightshift 3)
 = 11001110111000011001010111001011
(w[14] rightrotate 17) = 00000000000000000000000000000000 -> 00000000000000000000000000000000
(w[14] rightrotate 19) = 00000000000000000000000000000000 -> 00000000000000000000000000000000
(w[14] rightshift 10) = 00000000000000000000000000000000 -> 00000000000000000000000000000000
s1 = (w[14] rightrotate 17) xor (w[14] rightrotate 19) xor (w[14] rightshift 10)
= 00000000000000000000000000000000
w[i] = w[0] + s0 + w[9] + s1
= 00110111010001110000001000110111（相加得到的值如果超过 32 位，则抹去高位）
/**
 * 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，
 * 这【16-63】行就是上一步新增的48x32个0
 */
public function step6_modify_blocks_appended_48_lines(): void
{
    foreach ($this->blocks as &$block) {
        for ($i = 16; $i < 64; $i++) {
            $w0 = array_slice($block, ($i-16)*32, 32);
            $w1 = array_slice($block, ($i-15)*32, 32);
            $w9 = array_slice($block, ($i-7)*32, 32);
            $w14 = array_slice($block, ($i-2)*32, 32);
            $s0 = $this->xor(                
                $this->rightRotate($w1, 7),
                $this->rightRotate($w1, 18),
                $this->rightShift($w1, 3)
            );
            $s1 = $this->xor(
                $this->rightRotate($w14, 17),
                $this->rightRotate($w14, 19),
                $this->rightShift($w14, 10)
            );
            $wi = $this->add($w0, $s0, $w9, $s1);
            // 如果$wi的长度超过了32位，则只取32位，舍弃高位
            $k = count($wi) - 1;
            for ($j = $i * 32 + 31; $j >= $i * 32; $j--) {
                $block[$j] = $wi[$k] ?? 0;
                $k--;
            }
        }
    }
}

步骤七：压缩

新建变量 $a、$b、$c、$d、$e、$f、$g、$h 值依次分别等于哈希常量 H[0-7]，接着循环每一个区块的每一行，通过 与 非 异或 等操作将信息压缩到 $a、$b、$c、$d、$e、$f、$g、$h 中，最后将 $a、$b、$c、$d、$e、$f、$g、$h 的值与原始常量 H[0-7] 相加，拼接相加后的二进制结果 h0~h7 并转化为十六进制字符串得到最终的哈希值。

具体的压缩算法如下：

算法逻辑

For i from 0 to 63
    s1 = (e rightrotate 6) xor (e rightrotate 11) xor (e rightrotate 25)
    ch = (e and f) xor ((not e) and g)
    temp1 = h + s1 + ch + k[i] + w[i]
    s0 = (a rightrotate 2) xor (a rightrotate 13) xor (a rightrotate 22)
    maj = (a and b) xor (a and c) xor (b and c)
    temp2 := s0 + maj
    h = g
    g = f
    f = e
    e = d + temp1
    d = c
    c = b
    b = a
    a = temp1 + temp2

这里以第 0 行的处理为例，列出了变量计算结果方便大家对照调试：

计算结果

i = 0
s1 = 00110101100001110010011100101011
ch = 00011111100001011100100110001100
temp1 = 01011011110111010101100111010100
s0 = 11001110001000001011010001111110
maj = 00111010011011111110011001100111
temp2 = 00001000100100001001101011100101
h = 00011111100000111101100110101011
g = 10011011000001010110100010001100
f = 01010001000011100101001001111111
e = 00000001001011010100111100001110
d = 00111100011011101111001101110010
c = 10111011011001111010111010000101
b = 01101010000010011110011001100111
a = 01100100011011011111010010111001
/**
 * 步骤七：压缩数据
 */
public function step7_compress_to_final_hash(): string
{
    $a = $h0 = $this->int2bits(static::H[0], 32);
    $b = $h1 = $this->int2bits(static::H[1], 32);
    $c = $h2 = $this->int2bits(static::H[2], 32);
    $d = $h3 = $this->int2bits(static::H[3], 32);
    $e = $h4 = $this->int2bits(static::H[4], 32);
    $f = $h5 = $this->int2bits(static::H[5], 32);
    $g = $h6 = $this->int2bits(static::H[6], 32);
    $h = $h7 = $this->int2bits(static::H[7], 32);
    foreach ($this->blocks as $block) {
        for ($i = 0; $i < 64; $i++) {
            $s1 = $this->xor(
                $this->rightRotate($e, 6),
                $this->rightRotate($e, 11),
                $this->rightRotate($e, 25)
            );
            $ch = $this->xor(
                $this->and($e, $f),
                $this->and($this->not($e), $g)
            );
            $ki = $this->int2bits(static::K[$i], 32);
            $wi = array_slice($block, $i*32, 32);
            $temp1 = $this->add($h, $s1, $ch, $ki, $wi);
            $s0 = $this->xor(
                $this->rightRotate($a, 2),
                $this->rightRotate($a, 13),
                $this->rightRotate($a, 22),
            );
            $maj = $this->xor(
                $this->and($a, $b),
                $this->and($a, $c),
                $this->and($b, $c)
            );
            $temp2 = $this->add($s0, $maj);
            $h = $g;
            $g = $f;
            $f = $e;
            $e = $this->add($d, $temp1);
            $d = $c;
            $c = $b;
            $b = $a;
            $a = $this->add($temp1, $temp2);
        }
    }
    $h0 = $this->add($h0, $a);
    $h1 = $this->add($h1, $b);
    $h2 = $this->add($h2, $c);
    $h3 = $this->add($h3, $d);
    $h4 = $this->add($h4, $e);
    $h5 = $this->add($h5, $f);
    $h6 = $this->add($h6, $g);
    $h7 = $this->add($h7, $h);
    return $this->bits2hex(array_merge($h0, $h1, $h2, $h3, $h4, $h5, $h6, $h7));
}

至此整个哈希 sha-256 计算流程就完成了， 计算得到的哈希值也与 PHP 自带的 hash() 函数计算结果一致。

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonImplementieren Sie Ihren eigenen SHA-256-Hashing-Algorithmus in PHP!. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!

Stellungnahme：
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