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【本讲堂内容全部选编自PlatON首席暗码学家、武汉大学国家网络安全学院教授、博士生导师何德彪教授的《区块链与暗码学》授课讲义、教材及互联网，版权归属其原作者一切，如有侵权请当即与咱们联络，咱们将及时处理。】
5.4.1
Keccak算法简介
美国国家规范与技能研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)于2007年公开征集SHA-3，要求：
能够直接替代SHA-2，这要求SHA--3有必要也能够发生224，256，384，512比特的哈希值。
坚持SHA-2的在线处理能力，这要求SHA-33有必要能处理小的数据块(如512或1024比特)。
安全性：能够抵抗原像和碰撞进犯的能力，能够抵抗已有的或潜在的关于SHA-2的进犯。
效率：可在各种硬件平台上的完成，且是高效的和存储节约的。
灵活性：可设置可选参数以提供安全性与效率折中的选择，便于并行计算等。
2008年10月，有64个算法正式向NIST提交了计划，经过初步点评，共有51个算法进入第一轮评价，首要对算法的安全性、耗费、和完成特点等进行剖析。
2009年7月24日宣告，其间14个算法经过第一轮评定进入第二轮；2010年12月9日宣告，其间5个算法(JH、Grstl、Blake、Keccak和Skein)经过第二轮评定进入第三轮。
2012年10月2日NIST公布了最终的优胜者，它便是由意法半导体公司的Guido Bertoai Bertoai、Jean Daemen Daemen、Gilles Van Assche Assche与恩智半导体公司的Micha Michaëël Peeters 联合规划的Keccak算法。
SHA-3成为NIST的新哈希函数规范算法(FIPS PUB 180--5)，Keccak算法的剖析与完成详见：
https://keccak.team/index.html
SHA-3的结构仍属于Merkle提出的迭代型哈希函数结。最大的立异点是选用了一种被称为海绵结构的新的迭代结构.。海绵结构又称为海绵函数。
在海绵函数中，输入数据被分为固定长度的数据分组。每个分组逐次作为迭代的输入，同时上轮迭代的输出也反馈至下轮的迭代中，最终发生输出哈希值。
海绵函数允许输入长度和输出长度都可变，具有灵活的性，能够用于规划哈希函数(固定输出长度)、伪随机数发生器，以及其他暗码函数。
5.4.2
Keccak算法描绘
其输入数据没有长度约束，输出哈希值的比特长度分为：224，256，384，512。
符号与函数
Keccak算法运用以下符号与函数：
符号
r：比特率(比特 rate)，其值为每个输入块的长度
c：容量(capacity)，其长度为输出长度的两倍
b：向量的长度，b=r+c，而b的值依赖于指数I，即b=25×2I
Keccak算法的参数界说
函数
Keccak算法用到了以下5个函数：θ(theta)、ρ(rho)、π(pi)、χ(chi)、ι(iota)
算法描绘
Keccak算法对数据进行填充，然后迭代紧缩生成哈希值。
填充
对数据填充的意图是使填充后的数据长度为r的整数倍.因为迭代紧缩是对r位数据块进行的，假如数据的长度不是r的整数倍，最终一块数据将是短块，这将无法处理。
设消息m长度为l比特。首要将比特“1”增加到m的结尾，再增加k个“0”，其间，k是满意下式的最小非负整数：l+1+k=r-1modr；
然后再增加比特“1”增加到结尾.填充后的消息m的比特长度一定为r的倍数。
以算法Keccak-256，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；所以原始信息的二进制编码为：01100001 01100010 01100011。此时r = 1088。
① 补一个“1” ：0110000101100010 01100011 1
② 补1062个“0”：
01100001 01100010 0110001110000000 00000000 … 00000000
③ 补一个“1” ，得到1088比特的数据：
全体描绘
Keccak算法选用海绵结构(Sponge Construction)，在预处理(padding并分红巨细相同的块)后，海绵结构首要分红两部分：
吸入阶段(Absorbing Phase)：将块xi传入算法并处理。
挤出阶段(Squeezing Phase)：发生一个固定长度的输出。
Keccak算法的全体结构如下图：
Keccak算法的全体运算示意图
吸入与挤出阶段
给定输入串x，首要对x做padding，使其长度能被r整除，将padding后分割成长度为r的块，即x=x0|| x1|| x2||...|| xt-1 。然后履行以下吸入阶段和挤出阶段：
1. 初始化一个长度为r+c比特的全零向量。
2. 输入块xi，将xi和向量的前r个比特做异或运算，然后输入到f函数中处理。
3. 重复上一步，直至处理完x中的每个块。
4. 输出长为r的块作为y0，并将向量输入到f函数中处理，输出y1，以此类推，得到的哈希序列即为y= y0||y1||y2||...||yu。在Keccak-224/256/384/512中，只需要在y0中取出前224/ 256/ 384/ 512位即可。
Keccak算法的吸入阶段和挤出阶段示意图
紧缩函数
紧缩函数f是Keccak算法的核心，它包括nr轮。
nr的取值与咱们之前计算b时用到的指数I (b=25×2I)有关，详细地，nr=12+2*I.Keccak-224/256/384/512中，取I=6，因而nr=24。
在每一轮中，要以此履行五步，即θ(theta)、ρ(rho)、π(pi)、χ(chi)、ι(iota)。
在处理过程中，咱们把b=1600个比特排列成一个5*5*w的三维数组，其间w=2I=64比特，如右图所示：
Keccak算法的三维数组示意图
Keccak算法的紧缩函数结构示意图
安全性与功能
安全性
能够抵挡对哈希函数的一切现有进犯。
到目前为止，没有发现它有严峻的安全弱点。
灵活性
可选参数装备，能够适应哈希函数的各种运用。
高效性
规划简略，软硬件完成方便.在效率方面，它是高效的。
没有广泛运用，需要经过实践检验。
常用的Keccak算法就讲到这里啦，下节课咱们将学习常用哈希函数SM3算法，敬请期待！
同学们能够重视PlatON大众号，观看更多图学院系列课程。咱们下节课见啦。
视野开拓
人类的进步几乎都是合作的结果。-《博弈与社会》
