【STM32】知识点介绍三：哈希算法详解

0南城逆流02025-11-08 21:36

文章目录

一、简介

1.哈希算法详解

SHA-256 是密码学哈希函数家族 SHA-2 (Secure Hash Algorithm 2) 中的一员，由美国国家安全局 (NSA) 设计并由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 在 2001 年发布。它是当今最广泛使用的哈希算法之一，尤其在数据完整性验证、数字签名和密码存储等安全应用中。

基本特性：

  1. 固定输出长度：无论输入数据大小如何，SHA-256 始终生成 256 位（32 字节）的哈希值
  2. 单向性：从哈希值反推原始数据在计算上是不可行的
  3. 抗碰撞性：找到两个产生相同哈希值的不同输入极其困难
  4. 雪崩效应：输入的微小变化会导致输出哈希值的显著变化
  5. 确定性：相同的输入总是产生相同的哈希值

2.工作原理

SHA-256 算法的工作原理可以分为以下几个主要步骤：

（1）预处理

1>填充消息

①将输入消息追加一个 '1' 位

②再追加 K 个 '0' 位，使得(消息长度 + 1 + K + 64)是 512 的倍数

③最后添加 64 位表示原始消息长度

2>解析消息

①将填充后的消息分割成多个 512 位(64 字节)的块

②每个块进一步分为 16 个 32 位字

（2）初始化哈希值

使用前 8 个质数(2 到 19)的平方根小数部分的前 32 位作为初始哈希值

h0 = 0x6a09e667

h1 = 0xbb67ae85

h2 = 0x3c6ef372

h3 = 0xa54ff53a

h4 = 0x510e527f

h5 = 0x9b05688c

h6 = 0x1f83d9ab

h7 = 0x5be0cd19

（3）压缩函数主循环

对于每个 512 位消息块，SHA-256 执行以下操作

1>准备消息调度

①从当前块创建 16 个初始字 W[0] 到 W[15]

②扩展这些字为 W[16] 到 W[63]，每个新字是前面几个字的混合

c 复制代码 
公式：
W[t] = σ₁(W[t-2]) + W[t-7] + σ₀(W[t-15]) + W[t-16]
其中 σ₀ 和 σ₁ 是位运算函数：
σ₀(x) = ROTR⁷(x) ⊕ ROTR¹⁸(x) ⊕ SHR³(x)
σ₁(x) = ROTR¹⁷(x) ⊕ ROTR¹⁹(x) ⊕ SHR¹⁰(x)

2>初始化工作变量

c 复制代码 
a = h0, b = h1, c = h2, d = h3
e = h4, f = h5, g = h6, h = h7

3>主压缩循环

执行 64 轮，每轮使用一个常量 K[t] 和消息字 W[t]：

c 复制代码 
T1 = h + Σ₁(e) + Ch(e,f,g) + K[t] + W[t]
T2 = Σ₀(a) + Maj(a,b,c)
h = g
g = f
f = e
e = d + T1
d = c
c = b
b = a
a = T1 + T2

其中的函数定义为：
Σ₀(x) = ROTR²(x) ⊕ ROTR¹³(x) ⊕ ROTR²²(x)
Σ₁(x) = ROTR⁶(x) ⊕ ROTR¹¹(x) ⊕ ROTR²⁵(x)
Ch(x,y,z) = (x ∧ y) ⊕ (¬x ∧ z)
Maj(x,y,z) = (x ∧ y) ⊕ (x ∧ z) ⊕ (y ∧ z)

4>更新哈希值

c 复制代码 
h0 = h0 + a
h1 = h1 + b
h2 = h2 + c
h3 = h3 + d
h4 = h4 + e
h5 = h5 + f
h6 = h6 + g
h7 = h7 + h

二、在可信固件更新中的应用

1.固件完整性验证

  • 计算固件的 SHA-256 哈希值
  • 将哈希值存储在固件头部或单独存储
  • 设备收到固件后，重新计算哈希值并与存储的哈希值比较

2.安全启动链

  • ROM 代码验证 Bootloader 的哈希值
  • Bootloader 验证应用程序的哈希值
  • 建立信任根，确保只有授权代码能够执行

3.防篡改机制

  • 任何对固件的修改都会导致完全不同的哈希值
  • 提供防止中间人攻击的保护

4.恢复机制

  • 在更新过程中，可以随时验证部分下载的固件哈希值
  • 确保在断电或连接中断后，仍能验证已下载部分的完整性

5.与其他哈希算法的比较

算法 输出大小 安全性 性能 应用场景
MD5 128位 已被破解 非常快 不建议用于安全场景
SHA-1 160位 已有碰撞攻击 快 不建议用于新系统
SHA-256 256位 高 中等 通用安全应用，嵌入式系统
SHA-384/512 384/512位 极高 在64位系统上较快 高安全性需求场景
SHA-3 可变 极高 较慢 特殊安全需求

6.SHA-256 在嵌入式系统中的优化

在资源受限的嵌入式系统中，SHA-256 的实现可以通过以下方式优化

方法 功能
查表法 使用预计算的表加速某些操作
循环展开 减少循环开销
批处理 一次处理多个数据块
并行计算 利用多核处理器同时计算不同部分
SIMD指令 使用ARM NEON等SIMD指令集加速位操作
硬件加速 利用MCU内置的加密硬件单元
缓存优化 调整数据结构以提高缓存命中率

三、SHA-256 的C语言实现

以下是一个适合嵌入式系统的轻量级SHA-256实现示例

1.sha256.h

c 复制代码 
#ifndef APPLICATIONS_SYSTEM_INC_SHA256_H_
#define APPLICATIONS_SYSTEM_INC_SHA256_H_

#include "board.h"
#include <stdint.h>
#include <string.h>

// SHA-256 常量定义
#define SHA256_BLOCK_SIZE       64
#define SHA256_DIGEST_SIZE      32
#define SHA256_BUFFER_SIZE      1024

// 循环右移
#define ROTR(x, n)              (((x) >> (n)) | ((x) << (32 - (n))))

// SHA-256 压缩函数
#define CH(x, y, z)             (((x) & (y)) ^ (~(x) & (z)))
#define MAJ(x, y, z)            (((x) & (y)) ^ ((x) & (z)) ^ ((y) & (z)))
#define EP0(x)                  (ROTR(x, 2) ^ ROTR(x, 13) ^ ROTR(x, 22))
#define EP1(x)                  (ROTR(x, 6) ^ ROTR(x, 11) ^ ROTR(x, 25))
#define SIG0(x)                 (ROTR(x, 7) ^ ROTR(x, 18) ^ ((x) >> 3))
#define SIG1(x)                 (ROTR(x, 17) ^ ROTR(x, 19) ^ ((x) >> 10))

// SHA-256 上下文结构
typedef struct
{
    uint8_t data[64];       // 当前处理的数据块
    uint32_t datalen;       // 当前块中的字节数
    uint64_t bitlen;        // 已处理消息的总位数
    uint32_t state[8];      // 哈希状态值 h0-h7

} SHA256_CTX;

SHA256_CTX g_ctx;

extern void sha256_init(SHA256_CTX *ctx);
extern void sha256(const uint8_t data[], size_t len, uint8_t hash[]);

#endif

2.sha256.c

c 复制代码 
#include "sha256.h"

// SHA-256 常量表
static const uint32_t K[64] =
{
    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
};

/**
 * @brief 初始化SHA-256上下文
 * @param ctx：上下文结构体
 */
void sha256_init(SHA256_CTX *ctx)
{
    ctx->datalen  = 0;
    ctx->bitlen   = 0;
    ctx->state[0] = 0x6a09e667;
    ctx->state[1] = 0xbb67ae85;
    ctx->state[2] = 0x3c6ef372;
    ctx->state[3] = 0xa54ff53a;
    ctx->state[4] = 0x510e527f;
    ctx->state[5] = 0x9b05688c;
    ctx->state[6] = 0x1f83d9ab;
    ctx->state[7] = 0x5be0cd19;
}

/**
 * @brief SHA-256转换函数 - 处理一个完整的数据块
 * @param ctx：上下文结构体
 * @param data：数据
 */
static void sha256_transform(SHA256_CTX *ctx, const uint8_t data[])
{
    uint32_t a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, t1, t2, m[64];

    // 准备消息调度
    for (i = 0, j = 0; i < 16; ++i, j += 4)
        m[i] = (data[j] << 24) | (data[j + 1] << 16) | (data[j + 2] << 8) | (data[j + 3]);
    for (; i < 64; ++i)
        m[i] = SIG1(m[i - 2]) + m[i - 7] + SIG0(m[i - 15]) + m[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];

    // 主压缩循环
    for (i = 0; i < 64; ++i)
    {
        t1 = h + EP1(e) + CH(e, f, g) + K[i] + m[i];
        t2 = EP0(a) + MAJ(a, b, c);
        h = g;
        g = f;
        f = e;
        e = d + t1;
        d = c;
        c = b;
        b = a;
        a = t1 + t2;
    }

    // 更新状态值
    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;
}

/**
 * @brief 向SHA-256上下文中添加数据
 * @param ctx：上下文结构体
 * @param data：数据
 * @param len：数据长度
 */
static void sha256_update(SHA256_CTX *ctx, const uint8_t data[], size_t len)
{
    size_t i;

    for (i = 0; i < len; ++i)
    {
        ctx->data[ctx->datalen] = data[i];
        ctx->datalen++;

        if (ctx->datalen == 64)
        {
            sha256_transform(ctx, ctx->data);
            ctx->bitlen += 512;
            ctx->datalen = 0;
        }
    }
}

/**
 * @brief 完成SHA-256计算并获取哈希值
 * @param ctx：上下文结构体
 * @param hash：哈希值
 */
static void sha256_final(SHA256_CTX *ctx, uint8_t hash[])
{
    uint32_t i;

    // 处理最后不满一个块的数据
    i = ctx->datalen;

    // 填充1位
    if (ctx->datalen < 56)
    {
        ctx->data[i++] = 0x80;  // 10000000

        // 填充0位
        while (i < 56)
            ctx->data[i++] = 0x00;
    }
    else
    {
        ctx->data[i++] = 0x80;

        // 填充0位
        while (i < 64)
            ctx->data[i++] = 0x00;

        sha256_transform(ctx, ctx->data);
        memset(ctx->data, 0, 56);
    }

    // 添加消息长度（以位为单位）
    ctx->bitlen += ctx->datalen * 8;
    ctx->data[63] = (uint8_t) ctx->bitlen;
    ctx->data[62] = (uint8_t) (ctx->bitlen >> 8);
    ctx->data[61] = (uint8_t) (ctx->bitlen >> 16);
    ctx->data[60] = (uint8_t) (ctx->bitlen >> 24);
    ctx->data[59] = (uint8_t) (ctx->bitlen >> 32);
    ctx->data[58] = (uint8_t) (ctx->bitlen >> 40);
    ctx->data[57] = (uint8_t) (ctx->bitlen >> 48);
    ctx->data[56] = (uint8_t) (ctx->bitlen >> 56);

    sha256_transform(ctx, ctx->data);

    // 大端序输出哈希值
    for (i = 0; i < 8; ++i)
    {
        hash[i * 4] = (ctx->state[i] >> 24) & 0xFF;
        hash[i * 4 + 1] = (ctx->state[i] >> 16) & 0xFF;
        hash[i * 4 + 2] = (ctx->state[i] >> 8) & 0xFF;
        hash[i * 4 + 3] = ctx->state[i] & 0xFF;
    }
}

3.嵌入式系统上的应用示例

使用操作如下：

（1）在函数初始化的时候对哈希值进行初始化，直接调用函数：sha256_init();

（2）如果是对一片数据需要进行分段进行数据校验，可以直接调用函数进行哈希值的更新，调用函数：sha256_update(&g_ctx, data, len);

（3）最后进行哈希值的最终校验，调用函数：sha256_final(&g_ctx, hash);

c 复制代码 
/**
 * @brief 便捷函数：直接计算消息的SHA-256哈希值
 * @param data：数据
 * @param len：长度
 * @param hash：哈希值
 */
void sha256(const uint8_t data[], size_t len, uint8_t hash[])
{
    sha256_update(&g_ctx, data, len);
    if (g_esp32.endDataFlg == 1)
    {
        sha256_final(&g_ctx, hash);
    }
}

4.使用硬件加速器

某些STM32型号(如STM32F415、F437、F479、H7系列等)内置了加密硬件加速器，可以显著提高SHA-256的性能

c 复制代码 
// 使用STM32 HAL库的硬件SHA加速
void hw_sha256_hash(const uint8_t *data, uint32_t len, uint8_t hash[32]) 
{
    HASH_HandleTypeDef hhash;
    
    // 初始化HASH外设
    hhash.Init.DataType = HASH_DATATYPE_8B;
    HAL_HASH_Init(&hhash);
    
    // 选择SHA-256算法
    HAL_HASH_SHA256_Start(&hhash, (uint8_t*)data, len, hash, HAL_MAX_DELAY);
    
    // 或者分步处理大量数据:
    // HAL_HASH_SHA256_Accumulate(&hhash, data_part1, len1);
    // HAL_HASH_SHA256_Accumulate(&hhash, data_part2, len2);
    // HAL_HASH_SHA256_Finish(&hhash, hash, HAL_MAX_DELAY);
}

四、总结

SHA-256作为一种强大的哈希算法，在嵌入式系统安全方面扮演着至关重要的角色。它为固件验证、安全启动和数据完整性提供了可靠保障，同时其相对较小的计算量使其适用于资源受限的微控制器。

在实际应用中，需要根据特定的安全需求和资源限制来平衡性能与安全性。对于要求极高安全性的场景，可以考虑使用SHA-384/512或SHA-3，而对于性能敏感的场景，则应充分利用硬件加速功能。

随着物联网设备数量的增加和安全威胁的演变，安全哈希算法在嵌入式系统中的应用将继续扩大，SHA-256凭借其出色的安全性能平衡，在可预见的未来仍将是首选方案之一。

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