海綿函數

在密碼學，海綿函數（sponge function）或者海綿建構（sponge construction）是一種演算法。它使用有限的狀態，接收任何長度的輸入位元流，然後可以滿足任何長度的輸出。海綿函數可以在理論上面或者實做上面應用，用來架構或者實做密碼學的原始函數，像是加密雜湊函式（cryptographic hash，參考雜湊函數）等等。

結構
海綿函數是由三個部份組成：

 一個內存狀態，包含個位元 
 一個能置換或者轉換內存狀態，固定大小的轉換函式
 一個填充函式（padding function）

內存狀態會分成兩個區塊，（大小為位元）與（大小為位元）。這裡的參數又叫做轉換率（bitrate），而叫做容量（capacity）。

填充函式會在輸入裡面增加足夠的長度，讓輸入的位元流長度變成的整數倍。因此填充過後的輸入可以被切成長度為的數個分段。

然後，海綿函數運作如下：

先初始化為零
輸入經過填充函式處理
填充後輸入的前面個位元會與R進行XOR運算
經過函式轉換成
如果填充後輸入還有剩餘，下一位元的分段與進行XOR運算
S轉換成
…

這過程一直重複到所有的輸入都用完為止（在海棉的譬喻裡面，被函數「吸收」了）。

現在海綿函數可以依照如下的過程輸出（「擠出」內容）：
此時裡面的資料是輸出的前面個位元
如果需要更多輸出，先把轉換成
此時R裡面的資料是輸出的下面個位元
…

這過程會重複到滿足輸出所需要的長度為止。

這裡值得注意的地方是，輸入絕對不會與這部份的記憶體作XOR運算，而且這一部份記憶體也不會直接被輸出。這一部份的記憶體僅僅只和轉換函式相關。在雜湊裡面，防止撞擊攻擊（Collision attack）或者原像攻擊（preimage attack）是依靠這段記憶體作到的。一般實做上的大小會是所希望防止等級的兩倍。

應用
海綿函數可以在理論上面或者實做上面應用。在密碼分析理論上，隨機海綿函數（random sponge function）是一個轉換函式f為隨機置換的海綿函數。隨機海綿函數比起經常使用的隨機預言（有關預言的部份請參考預言機）滿足更多加密基元（cryptographic primitives）的限制，像是有限大小的內存狀態。   

海綿函數也可以用來建造實際的加密基元。例如，Keccak雜湊函數就是以海綿函數的方式建立的。Keccak雜湊函數使用1600位元大的版本被國家標準技術研究所（NIST）在SHA-3競賽之中選為贏家。Keccak演算法的特點在於作者所開發複雜、多次的置換函數。

參考資料

Category:密码散列函数
Category:密码学理论