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K210内置了丰富的加速器#xff0c;包括神经网络处理器 (KPU)#xff0c;AES(高级加密加速器)#xff0c;APU 麦克风阵列语音数据加速计算处理器#xff0c;现场可… 文章目录 前言一、什么是SHA256实验原理 二、K210的安全散列算法加速器三、实验过程总结 前言
K210内置了丰富的加速器包括神经网络处理器 (KPU)AES(高级加密加速器)APU 麦克风阵列语音数据加速计算处理器现场可编程 IO 阵列 (FPIOA)数字摄像头接口 (DVP)相对于软件可以极大的提高 AES 运算速度快速傅里叶变换加速器 (FFT)安全散列算法加速器 (SHA256)。 本文介绍安全散列算法加速器 (SHA256)
一、什么是SHA256
说到SHA256就不得不说SHA-2因为SHA256是SHA-2的子集SHA-256是当今最常用的SHA2变体之一因为它具有很高的安全性和性能 SHA-2名称来自于安全散列算法2英语Secure Hash Algorithm 2的缩写一种密码散列函数算法标准由美国国家安全局研发由美国国家标准与技术研究院NIST在2001年发布。属于SHA算法之一是SHA-1的后继者。其下又可再分为六个不同的算法标准包括了SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256
SHA-256在当今的加密实现中被广泛使用例如
数据完整性 - 使用SHA-256哈希验证软件更新、取证数据、备份等以确保有效性和防止篡改。
数字签名 - 可以对消息的哈希进行加密以创建一个验证发送者身份的签名。SHA-256在这方面被广泛使用。
用户凭证 - 在安全存储之前密码和其他敏感凭证会经过类似SHA-256的算法进行加盐和哈希处理。
区块链 - 交易通过哈希链接在一起以维护一个不可变的账本。比特币和其他加密货币使用SHA-256。
随机数生成 - SHA-256具有强大的单向特性适用于生成随机位。
SHA-256如此普遍使用是因为它提供了速度、安全性和易于实现的适当平衡满足了各种应用的需求。
SHA-256的一些关键特性
为不同长度的输入产生唯一的固定大小的256位散列。
相同哈希的两个不同输入碰撞的可能性非常小。
输入的任何变化都会导致完全不同的散列。
不可逆的哈希过程无法恢复原始数据。
设计成即使对于大量数据也能计算得非常快。
这使得SHA-256在验证系统中的数据完整性和真实性方面非常理想。
实验原理
将算法按照将常量的初始化、信息预处理、逻辑运算三部分进行介绍
常量初始化 SHA256算法中用到了8个哈希初值以及64个哈希常量
其中SHA256算法的8个哈希初值如下
h0 : 0x6a09e667
h1 : 0xbb67ae85
h2 : 0x3c6ef372
h3 : 0xa54ff53a
h4 : 0x510e527f
h5 : 0x9b05688c
h6 : 0x1f83d9ab
h7 : 0x5be0cd19这些初值是对自然数中前8个质数2,3,5,7,11,13,17,19的平方根的小数部分取前32bit而来
举个例子来说$ \sqrt{2} $小数部分约为0.414213562373095048而 于是质数2的平方根的小数部分取前32bit就对应出了0x6a09e667 在SHA256算法中用到的64个常量如下
428a2f98 71374491 b5c0fbcf e9b5dba5
3956c25b 59f111f1 923f82a4 ab1c5ed5
d807aa98 12835b01 243185be 550c7dc3
72be5d74 80deb1fe 9bdc06a7 c19bf174
e49b69c1 efbe4786 0fc19dc6 240ca1cc
2de92c6f 4a7484aa 5cb0a9dc 76f988da
983e5152 a831c66d b00327c8 bf597fc7
c6e00bf3 d5a79147 06ca6351 14292967
27b70a85 2e1b2138 4d2c6dfc 53380d13
650a7354 766a0abb 81c2c92e 92722c85
a2bfe8a1 a81a664b c24b8b70 c76c51a3
d192e819 d6990624 f40e3585 106aa070
19a4c116 1e376c08 2748774c 34b0bcb5
391c0cb3 4ed8aa4a 5b9cca4f 682e6ff3
748f82ee 78a5636f 84c87814 8cc70208
90befffa a4506ceb bef9a3f7 c67178f2和8个哈希初值类似这些常量是对自然数中前64个质数(2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47,53,59,61,67,71,73,79,83,89,97…)的立方根的小数部分取前32bit而来。
信息预处理 SHA256算法中的预处理就是在想要Hash的消息后面补充需要的信息使整个消息满足指定的结构。
信息的预处理分为两个步骤附加填充比特和附加长度
STEP1附加填充比特
在报文末尾进行填充使报文长度在对512取模以后的余数是448
填充是这样进行的先补第一个比特为1然后都补0直到长度满足对512取模后余数是448。
需要注意的是信息必须进行填充也就是说即使长度已经满足对512取模后余数是448补位也必须要进行这时要填充512个比特。
因此填充是至少补一位最多补512位。
例以信息“abc”为例显示补位的过程。
a,b,c对应的ASCII码分别是97,98,99
于是原始信息的二进制编码为01100001 01100010 01100011
补位第一步首先补一个“1” 0110000101100010 01100011 1
补位第二步,补423个“0”01100001 01100010 01100011 10000000 00000000 … 00000000
补位完成后的数据如下为了简介用16进制表示
61626380 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000为什么是448?
因为在第一步的预处理后第二步会再附加上一个64bit的数据用来表示原始报文的长度信息。而44864512正好拼成了一个完整的结构。
STEP2附加长度值
附加长度值就是将原始数据第一步填充前的消息的长度信息补到已经进行了填充操作的消息后面。
wiki百科中给出的原文是append length of message (before pre-processing), in bits, as 64-bit big-endian integer
SHA256用一个64位的数据来表示原始消息的长度。
因此通过SHA256计算的消息长度必须要小于$ 2^64 $当然绝大多数情况这足够大了。
长度信息的编码方式为64-bit big-endian integer
关于Big endian的含义文末给出了补充
回到刚刚的例子消息“abc”3个字符占用24个bit
因此在进行了补长度的操作以后整个消息就变成下面这样了16进制格式
61626380 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000018逻辑运算 SHA256散列函数中涉及的操作全部是逻辑的位运算
包括如下的逻辑函数 其中 现在来介绍SHA256算法的主体部分即消息摘要是如何计算的。
首先将消息分解成512-bit大小的块(break message into 512-bit chunks) 假设数据D可以被分解为n个块于是整个算法需要做的就是完成n次迭代n次迭代的结果就是最终的哈希值即256bit的数字摘要。
一个256-bit的摘要的初始值H0经过第一个数据块进行运算得到H1即完成了第一次迭代H1经过第二个数据块得到H2……依次处理最后得到HnHn即为最终的256-bit消息摘要。
将每次迭代进行的映射用$ Map(H_{i-1}) H_{i} $表示于是迭代可以更形象的展示为 图中256-bit的Hi被描述8个小块这是因为SHA256算法中的最小运算单元称为“字”Word一个字是32位。
此外第一次迭代中映射的初值设置为前面介绍的8个哈希初值如下图所示 下面开始介绍每一次迭代的内容即映射$ Map(H_{i-1}) H_{i} $的具体算法。
STEP1构造64个字word
对于每一块将块分解为16个32-bit的big-endian的字记为w[0], …, w[15]
也就是说前16个字直接由消息的第i个块分解得到
其余的字由如下迭代公式得到 STEP2进行64次循环
映射 $ Map(H_{i-1}) H_{i} $ 包含了64次加密循环
即进行64次加密循环即可完成一次迭代
每次加密循环可以由下图描述 图中ABCDEFGH这8个字word在按照一定的规则进行更新其中
深蓝色方块是事先定义好的非线性逻辑函数上文已经做过铺垫
红色田字方块代表 mod $ 2^{32} $ addition即将两个数字加在一起如果结果大于$ 2^{32} 你 必 须 除 以 你必须除以你必须除以 2^{32} $并找到余数。
ABCDEFGH一开始的初始值分别为$ H_{i-1}(0),H_{i-1}(1),…,H_{i-1}(7) $
Kt是第t个密钥对应我们上文提到的64个常量
Wt是本区块产生第t个word。原消息被切成固定长度512-bit的区块对每一个区块产生64个word通过重复运行循环n次对ABCDEFGH这八个字循环加密。
最后一次循环所产生的八个字合起来即是第i个块对应到的散列字符串$ H_{i} $
二、K210的安全散列算法加速器
SHA256 加速器是用来计算 SHA-256 的计算单元
• 支持 SHA-256 的计算
• 支持输入数据的 DMA 传输
对应的头文件 sha256.h
支持 SHA-256 的计算。
为用户提供以下接口
• sha256_init初始化SHA256加速器外设。
• sha256_update传入一个数据块参与SHA256 Hash计算。
• sha256_final结束对数据的SHA256 Hash 计算。
• sha256_hard_calculate一次性对连续的数据计算它的SHA256 Hash。
三、实验过程
原理很复杂但是K210内置了算法模块我们只需要简单的调用这些接口就可以快速实现如下实验事先通过https://hash.online-convert.com/sha256-generator 计算好对应的字符串的哈希值然后调用内置算法将两者的结果进行比对如果一致则测试通过
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include string.h
#include encoding.h
#include sha256.h
#include sleep.h
#include sysctl.huint8_t hash[SHA256_HASH_LEN];
uint8_t compare1[] {0xba, 0x78, 0x16, 0xbf, 0x8f, 0x01, 0xcf, 0xea, 0x41, 0x41, 0x40, 0xde, 0x5d, 0xae, 0x22, 0x23,0xb0, 0x03, 0x61, 0xa3, 0x96, 0x17, 0x7a, 0x9c, 0xb4, 0x10, 0xff, 0x61, 0xf2, 0x00, 0x15, 0xad};uint8_t compare2[] {0x58, 0xbe, 0xb6, 0xbb, 0x9b, 0x80, 0xb2, 0x12, 0xc3, 0xdb, 0xc1, 0xc1, 0x02, 0x0c, 0x69, 0x6f,0xbf, 0xa3, 0xaa, 0xd8, 0xe8, 0xa4, 0xef, 0x4d, 0x38, 0x5e, 0x9b, 0x07, 0x32, 0xfc, 0x5d, 0x98};uint8_t compare3[] {0x6e, 0x65, 0xda, 0xd1, 0x7a, 0xa2, 0x3e, 0x72, 0x79, 0x8d, 0x50, 0x33, 0xa1, 0xae, 0xe5, 0x9e,0xe3, 0x35, 0x2d, 0x3c, 0x49, 0x6c, 0x18, 0xfb, 0x71, 0xe3, 0xa5, 0x37, 0x22, 0x11, 0xfc, 0x6c};uint8_t compare4[] {0xcd, 0xc7, 0x6e, 0x5c, 0x99, 0x14, 0xfb, 0x92, 0x81, 0xa1, 0xc7, 0xe2, 0x84, 0xd7, 0x3e, 0x67,0xf1, 0x80, 0x9a, 0x48, 0xa4, 0x97, 0x20, 0x0e, 0x04, 0x6d, 0x39, 0xcc, 0xc7, 0x11, 0x2c, 0xd0};
uint8_t data_buf[1000*1000];int main(void)
{uint64_t cycle;uint8_t total_check_tag 0;uint32_t i;printf(\n);cycle read_cycle();sha256_hard_calculate((uint8_t *)abc, 3, hash);for (i 0; i SHA256_HASH_LEN;){if (hash[i] ! compare1[i])total_check_tag 1;printf(%02x, hash[i]);if (!(i % 4))printf( );}printf(\n);sha256_hard_calculate((uint8_t *)abcdefghijabcdefghijabcdefghijabcdefghijabcdefghijabcdefghij, 60, hash);for (i 0; i SHA256_HASH_LEN;){if (hash[i] ! compare2[i])total_check_tag 1;printf(%02x, hash[i]);if (!(i % 4))printf( );}printf(\n);sha256_hard_calculate((uint8_t *)abcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefgha, 65, hash);for (i 0; i SHA256_HASH_LEN;){if (hash[i] ! compare3[i])total_check_tag 1;printf(%02x, hash[i]);if (!(i % 4))printf( );}printf(\n);memset(data_buf, a, sizeof(data_buf));sha256_hard_calculate(data_buf, sizeof(data_buf), hash);for (i 0; i SHA256_HASH_LEN;){if (hash[i] ! compare4[i])total_check_tag 1;printf(%02x, hash[i]);if (!(i % 4))printf( );}printf(\n);sha256_context_t context;sha256_init(context, sizeof(data_buf));sha256_update(context, data_buf, 1111);sha256_update(context, data_buf 1111, sizeof(data_buf) - 1111);sha256_final(context, hash);for (i 0; i SHA256_HASH_LEN;){if (hash[i] ! compare4[i])total_check_tag 1;printf(%02x, hash[i]);if (!(i % 4))printf( );}printf(\n);cycle read_cycle() - cycle;if (total_check_tag 1)printf(\nSHA256_TEST _TEST_FAIL_\n);elseprintf(\nSHA256_TEST _TEST_PASS_\n);printf(\nsha256 test time %ld ms\n, cycle/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000));while(1);return 0;
}完成代码后进行编译
cd buildcmake .. -DPROJsha256 -G MinGW Makefilesmake编译完成后在build文件夹下会生成sha256.bin文件。
使用type-C数据线连接电脑与K210开发板打开kflash选择对应的设备再将程序固件烧录到K210开发板上。 烧录后重启开发板实验结果如下 总结
本章学习了SHA-256算法的原理并验证了K210内置的安全散列算法加速器模块这使得安全散列的计算速度更快速
