Secure Hash Algorithm

בקריפטוגרפיה, אלגוריתם גיבוב בטוח (באנגלית: Secure Hashing Algorithm) הידוע בקיצור SHA הוא שם כולל למשפחה של פונקציות גיבוב קריפטוגרפיות שהן חלק מתקן פדרלי של ממשלת ארצות הברית FIPS  (בעברית: תקן עיבוד מידע פדרלי) הנקרא SHS (קיצור של פונקציית גיבוב בטוחה). התקן נועד לשימוש כחלק ממנגנון אימות והבטחת שלמות מידע וחלק מתקן חתימה דיגיטלית והוא הכולל את הפונקציות: SHA-0 (במקור SHA)‏, SHA-2, SHA-1 והחל מ-2012 גם את SHA-3. הפונקציות ממשפחה זו משמשות ביישומים ופרוטוקולים מאובטחים רבים.

אישורים

כל הפונקציות ממשפחת SHA עוברות בדיקות בנושא ביטחון ומאושרות בתקן FIPS על ידי הארגון CMVP, שיתוף פעולה של NIST האמריקאי ו-CSE (הסוכנות הקנדית הממשלתית בנושא קריפטולוגיה). תפקיד הארגון להעריך ולבדוק מודולים קריפטוגרפיים לצורך שימוש מסחרי (לא ממשלתי/צבאי). היא עומדת לרשות יצרנים וספקים בתחומי ארצות הברית וקנדה ומספקת תעודות המאשרות מוצרים קריפטוגרפיים שעברו בחינה ואישור של מומחי הצפנה (בעיקר מומחים של NSA).

היסטוריה

אלגוריתם SHA פורסם בשנת מאי 1993 על ידי ה-NIST לצורך ייצוג תמציתי של הודעות בשימוש באלגוריתמי חתימות וכאשר נדרש ערך גיבוב קריפטוגרפי ביישומים פדרליים. אלגוריתם SHA בנוי בשיטת מרקל-דמגרד. הקלט שלו הוא מחרוזת שאורכה עד  סיביות והפלט שלה הוא תמצית באורך 160 סיביות. האלגוריתם מבוסס ברובו על הפונקציה MD4 תוך הגדלת המצב הפנימי ושינוי חלק מהפונקציות הפנימיות וערכי הקבועים שבשימוש. 
בשנת 1995 פרסם ה-NIST אלגוריתם חדש שנקרא SHA-1 שמטרתו להחליף את אלגוריתם SHA הקודם (החל מהפרסום נהוג להתייחס לאלגוריתם הראשון כ-SHA-0). השוני היחיד בין האלגוריתמים כלל שינוי במנגנון הרחבת ההודעה של SHA-1 על פני SHA-0. לטענת ה-NIST מטרת התיקון הייתה לפתור חולשה שנמצאה באלגוריתם הקודם; ה-NIST לא פרסם את החולשה שהתיקון אמור לפתור. 
בשנת 2002 הוסיף ה-NIST שלוש פונקציות נוספות לתקן SHA-256, SHA-384 ו-SHA-512. הפונקציות החדשות נבדלו משמעותית באלגוריתמים שבבסיסן מ-SHA-1 ובכך הבטיחו שחולשות בה לא ישפיעו בהכרח על הפונקציות החדשות. הפונקציות גם איפשרו ליצור ערכי תמצית ארוכים יותר עבור הודעות ובכך להגביר את בטיחות הפרוטוקולים המשתמשים בהן. בשנת 2008 הוסיפה ה-NIST פונקציה נוספת, SHA-224. 
בשנת 2007 יזמה ה-NIST תחרות לבחירת פונקציות שיצטרפו למשפחת ה-SHA. לתחרות הוגשו 64 הצעות שמתוכן עמדו 51 בתנאי הסף. ההצעות פורסמו והקהילה הקריפטוגרפית הבינלאומית הוזמנה לנתח ולנסות לשבור את כל המועמדים. 14 מועמדים עברו לשלב השני של התחרות כאשר חמשת המועמדים הסופיים הם BLAKE, Grøstl, JH, קצ'אק ו-Skein. בשנת 2012 פורסם הזוכה בתחרות לגיבוב SHA-3 והוא הצופן Keccak.

SHA-0

הפונקציה מורכבת מחמישה משתנים פנימיים בגודל 32 סיביות היוצרים מצב פנימי בגודל 160 סיביות. בכל איטרציה מופעלת פונקציית התמצות על המשתנים ליצירת הקלט לאיטרציה הבאה.

אתחול

ראשית, המשתנים הפנימיים מקבלים את ערכי וקטור האתחול (IV)
לאחר מכן, קלט הפונקציה מחולק לבלוקים באורך 512 סיביות המכונים ; לבלוק האחרון מוסיפים את אורך ההודעה. במידה ואורך ההודעה אינו כפולה של 512 מוסיפים לבלוק האחרון, אחרי ההודעה ולפני האורך שלה את הסיבית 1 ולאחריה 0 בכמות הנדרשת כדי להביא אותה לאורך של 512 סיביות.

אופן הפעולה

בכל שלב של הפונקציה מועברים לפונקציית התמצות המשתנים הפנימיים מהסיבוב הקודם והבלוק הנוכחי לעיבוד. הפונקציה מחזירה את הערך החדש של המשתנים הפנימיים (). פונקציית הגיבוב אינה כוללת שלב סיום ולכן בסיום התהליך פלט פונקציית הגיבוב הוא הפלט של פונקציית התמצות מהשלב האחרון.

פונקציית התמצות

מנגנון הרחבת הודעות: הפונקציה מחלקת את הבלוק ל-16 חלקים באורך 32 סיביות המכונים . לאחר מכן, הפונקציה מרחיבה את 16 החלקים ל-80 באמצעות הפעלת ה-LFSR הבא 64 פעמים:
תמצות המסר: עבור כל אחד מ-80 החלקים של המסר, הפונקציה מפעילה את האלגוריתם הבא:

פלט: פונקציית התמצות מחזירה את הפלט: 
הפונקציה  והקבוע K מוגדרים כך:

SHA-1

הפונקציות SHA-0 ו-SHA-1 זהות באלגוריתמים שלהם פרט למנגנון הרחבת ההודעה ב-SHA-1 שמפעיל את ה-LFSR הבא 64 פעמים: