Java SHA-2算法及其实现

1. 概述

SHA-2（Secure Hash Algorithm 2）是一系列由美国国家安全局（NSA）开发的密码散列函数，用于对数据进行加密和数字签名。SHA-2算法家族包括SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224和SHA-512/256，分别产生224、256、384、512、224和256位的哈希值。SHA-2算法具有较高的安全性和广泛的应用场景，被广泛用于密码学和数据完整性校验等领域。

本文将重点介绍SHA-256算法的Java实现，并提供相应的代码示例。

2. SHA-256算法流程

SHA-256算法的流程包括以下步骤：

  1. 初始化：将一些预定义的常数存储在状态缓冲区中。
  2. 填充消息：将输入消息P附加位填充，使其长度为512的整数倍。
  3. 处理消息分组：将填充后的消息分为若干个512位的分组，并依次处理每个分组。
  4. 更新哈希值：根据每个分组的处理结果更新中间哈希值。
  5. 生成哈希值：将最终的中间哈希值拼接在一起，得到256位的哈希值。

下面是SHA-256算法的流程图：

flowchart TD
    subgraph SHA-256算法流程
        A[初始化]
        B[填充消息]
        C[处理消息分组]
        D[更新哈希值]
        E[生成哈希值]
        A --> B
        B --> C
        C --> D
        D --> E
    end

3. SHA-256算法Java实现

3.1 初始化

SHA-256算法的初始化包括初始化状态缓冲区和常量数组。在Java中，我们可以使用int数组来表示状态缓冲区，使用long数组来表示常量数组。

// 初始化状态缓冲区
int[] state = new int[]{
    0x6a09e667, 0xbb67ae85, 0x3c6ef372, 0xa54ff53a,
    0x510e527f, 0x9b05688c, 0x1f83d9ab, 0x5be0cd19
};

// 初始化常量数组
long[] constants = new long[]{
    0x428a2f98, 0x71374491, 0xb5c0fbcf, 0xe9b5dba5,
    0x3956c25b, 0x59f111f1, 0x923f82a4, 0xab1c5ed5,
    // 省略...
};

3.2 填充消息

填充消息的目的是将输入消息附加位填充，使其长度为512的整数倍。Java提供了MessageDigest类用于进行SHA算法操作，我们可以使用其update方法来更新消息。

// 填充消息
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
md.update(message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
byte[] paddedMessage = md.digest();

3.3 处理消息分组

在处理消息分组之前，我们需要将填充后的消息分割成512位的分组。然后，依次对每个分组进行处理。

// 处理消息分组
int groupSize = 512 / 8; // 分组大小为512位，每个字节占8位
int numGroups = paddedMessage.length / groupSize;
for (int i = 0; i < numGroups; i++) {
    byte[] group = Arrays.copyOfRange(paddedMessage, i * groupSize, (i + 1) * groupSize);
    processGroup(group);
}

3.4 更新哈希值

在处理每个消息分组时，需要根据当前状态缓冲区和消息分组的处理结果来更新中间哈希值。

// 更新哈希值
private void updateHash(int[] state, int[] result) {
    for (int i = 0; i < state.length; i++) {
        state[i] += result[i];