SHA-3（Secure Hash Algorithm 3）是美国国家标准与技术研究院（NIST）于 2015 年发布的新一代密码哈希算法标准，其核心基于比利时密码学家团队设计的Keccak 算法。SHA-3 的诞生旨在应对 SHA-1 和 SHA-2 系列算法可能面临的未来安全威胁（如量子计算攻击），并引入了全新的海绵结构（Sponge Construction），显著提升了安全性和灵活性。
1 算法基本特性
参数 | 说明 |
输出长度 | 支持 224、256、384、512 位（对应 SHA3-224/SHA3-256/SHA3-384/SHA3-512） |
状态大小 | 固定为 1600 位（5×5 的 64 位矩阵） |
比特率（r） | 不同输出长度对应不同的消息块大小：1152、1088、832、576 位 |
容量（c） | 安全冗余位：448、512、768、1024 位（c = 1600 - r） |
置换轮数 | 24 轮（每轮包含 5 个核心操作） |
抗攻击特性 | 对长度扩展攻击免疫，理论抗碰撞强度为 2²⁵⁶次运算（SHA3-512） |
并行能力 | 高度并行，适合硬件加速 |
2 核心设计原理：海绵结构
SHA-3 采用海绵结构替代传统的 Merkle-Damgård 结构，其核心思想是通过 “吸收→置换→挤压” 流程处理任意长度的输入：
2.1 吸收阶段（Absorbing）
- 将输入消息分块（每块长度为 r），依次与状态矩阵的前 r 位异或。
- 每异或一个消息块后，应用Keccak-f 置换函数（24 轮复杂变换），将消息特征扩散到整个状态矩阵。
2.2 挤压阶段（Squeezing）
- 从状态矩阵的前 r 位提取输出，生成所需长度的哈希值。
- 若输出长度超过 r，重复应用 Keccak-f 置换并继续提取，直至满足需求。
2.3 与Merkle-Damgård 的区别
- 抗长度扩展攻击：海绵结构通过容量 c 隔离消息块间的关联性，避免攻击者通过追加数据伪造哈希值。
- 灵活性：可生成任意长度输出（如 SHAKE128/SHAKE256 等扩展函数）。
3 详细流程解析
3.1. 消息填充（Pad10*1 规则）
- 步骤 1：在消息末尾添加二进制串 “011”（0x06）。
- 步骤 2：补 0 直到总长度满足 (原始长度 + 3 + k) ≡ 0 mod r。
- 步骤 3：将最后一个字节的最高位置 1（即添加 “1”）。
示例：若原始消息为 575 位（SHA3-512 的 r=576 位），填充后变为 577 位（575+3+0+1），需拆分为两个块（576+1 位，但实际填充会补 0 至 576 位，最后一位补 1）。
3.2 状态初始化
- 状态矩阵初始化为全 0 的 5×5×64 位立方体。
3.3 吸收阶段
- 分块处理：将填充后的消息按 r 位分块，依次与状态矩阵的前 r 位异或。
- Keccak-f 置换：每异或一个块后，执行 24 轮置换，包括以下步骤：
- θ（Theta）：列间异或与循环移位，实现线性扩散。
- ρ（Rho）：对每个元素进行特定偏移量的循环右移。
- π（Pi）：行内元素位置置换，增强混淆。
- χ（Chi）：非线性变换（位级异或与取反），引入不可逆性。
- ι（Iota）：添加轮常数，打破对称性。
3.4 挤压阶段
- 从状态矩阵的前 r 位提取输出，若需要更多位，重复以下操作：
- 应用 Keccak-f 置换。
- 继续提取 r 位，直至总长度达标。
4 Keccak-f 置换函数详解
Keccak-f 是 SHA-3 的核心变换，每轮包含五个步骤：
4.1 θ 步骤（列扩散）
- 计算列异或：对每列 5 个元素求和，再与相邻列异或。
- 循环移位：将结果循环右移 1 位，再次异或回原列。
4.2 ρ 步骤（元素旋转）
每个元素按预设的偏移量（如第 (x,y) 元素旋转 (x+1)(y+1) 位）进行循环右移。
4.3 π 步骤（行置换）
行内元素按固定置换表重新排列（如第 x 行的元素 y 移动到位置 (2x+3y) mod 5）。
4.4 χ 步骤（非线性变换）
对每行元素进行位级运算：
s[x][y] = s[x][y] ^ ((~s[x+1][y]) & s[x+2][y])
（其中 x+1、x+2 取模 5）
4.5 ι 步骤（轮常数注入）
与轮常数（RC [r]）异或，RC [r] 由 LFSR 生成，每轮不同。
5 算法特点
安全性：
抗碰撞性：512 位输出的理论抗碰撞强度为 2²⁵⁶次运算。
抗量子攻击：海绵结构和复杂置换设计使其对 Grover 算法等量子攻击具有更强抵抗力12。
灵活性：
支持任意输出长度（如 SHAKE128 可生成 1KB 哈希值）。
兼容多种应用场景（哈希、消息认证码、伪随机数生成）。
高效性：
硬件实现简单，支持并行计算，现代 CPU（如 Intel AVX2）可通过指令集优化加速。
6 应用场景
数据完整性校验：
大型文件传输（如备份、分布式存储）中校验数据一致性。
密码学协议：
TLS 1.3 协议中用于密钥派生和消息认证1。
零知识证明、数字签名等场景。
区块链技术：
以太坊 2.0 采用 SHA3-256 生成账户地址和区块哈希。
抗量子特性为未来区块链安全提供保障12。
密码存储：
加盐哈希存储用户密码，防止彩虹表攻击。
7 与 Keccak 的关系
SHA-3 是 Keccak 算法的标准化实例，但存在以下差异：
填充规则：SHA-3 使用 Pad10*1，而 Keccak 支持多种填充方式。
参数固定：SHA-3 的状态大小固定为 1600 位，而 Keccak 允许自定义参数。
8 未来挑战与应对
尽管 SHA-3 目前被认为是安全的，但其长期安全性仍需关注：
量子计算威胁：Grover 算法可将 SHA-3 的碰撞攻击复杂度降低至√(2⁵¹²) = 2²⁵⁶次运算，与现有安全级别相当。
新型攻击手段：需持续关注密码分析进展，如差分攻击、线性攻击的变种。
