הצגת המקור של הדף "Secure Hash Algorithm"

ב[[קריפטוגרפיה]], '''[[אלגוריתם]] גיבוב בטוח''' (באנגלית: Secure Hashing Algorithm) הידוע בקיצור SHA הוא שם כולל למשפחה של [[פונקציית גיבוב קריפטוגרפית|פונקציות גיבוב קריפטוגרפיות]] שהן חלק מתקן פדרלי של [[ממשלת ארצות הברית]] [[Federal Information Processing Standard|FIPS]] (בעברית: [[תקן]] [[עיבוד מידע]] פדרלי) הנקרא SHS (קיצור של '''פונקציית גיבוב בטוחה'''). התקן נועד לשימוש כחלק ממנגנון [[אימות מסרים|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 ב[[יישום מחשב|יישומים]] ו[[פרוטוקול תקשורת|פרוטוקולים]] מאובטחים רבים.

==ייעוד==
{{ערך מורחב|פונקציית גיבוב קריפטוגרפית}}
SHA היא פונקציה המפיקה מקלט בכל אורך רצוי "תמצית" קצרה באורך קבוע שהמאפיין העיקרי שלה שהיא [[פונקציה חד-כיוונית|חד-כיוונית]] במובן שלא ניתן לשחזר את הקלט המקורי בהינתן התמצית. המשמעות היא שיהיה קשה מאוד למצוא מסר אחר ממנו ניתן להפיק תמצית זהה. זו תכונה יסודית של פונקציית גיבוב המאפשרת להבטיח שאם המסר שונה אפילו במעט, התמצית שתופק ממנו תהיה שונה לגמרי בהסתברות מאוד גבוהה. האלגוריתמים ממשפחת SHA מפיקים את התמצית באמצעות סדרת פעולות [[אד הוק]], [[פעולות על סיביות]] כמו [[פעולה על סיביות#סיבוב ללא סחיבה|הזזה מעגלית]], פעולות [[אריתמטיקה|אריתמטיות]] כמו חיבור [[חשבון מודולרי|מודולרי]] והמבנה שלהם למעט SHA-3 הוא בסגנון [[פונקציית גיבוב קריפטוגרפית#פונקציית תמצות|דויס-מאייר]] לפי [[שיטת מרקל-דמגרד]]. האלגוריתם מכיל זיכרון פנימי ו"פונקציית כיווץ" או "פונקציית תמצות". הקלט תחילה מחולק לבלוקים באורך קבוע לאחר שעבר הכנה וריפוד כראוי ואז הפונקציה הפנימית מופעלת באופן [[איטרציה|איטרטיבי]] על הקלט כאשר פלט הפונקציה מוזן בחזרה כקלט מספר פעמים והפלט הסופי הוא תכולת הזיכרון הפנימי לאחר עיבוד כל הבלוקים של הקלט.

==גרסאות==
הפונקציות ממשפחת SHA פותחו, אושררו והוכנסו לתקן SHS של FIPS המנוהל על ידי NIST בשיתוף פעולה של [[NSA]]. הן כוללות את:
*'''SHA-0''' שם שניתן למפרע<!-- למפרע = רטרואקטיבית. יש לשקול לשנות למילה הלועזית שהרי לא כל הקוראים מכירים את המילה העברית. --> כדי להבדילה מ-SHA-1. היא מפיקה תמצית באורך 160 סיביות ומבוססת על [[MD4]]. זוהי הפונקציה הראשונה במשפחה שפורסמה ב-1993 ונקראה בקיצור SHA תחת תקן FIPS PUB 180. הפונקציה הוסרה מהתקן זמן קצר לאחר שפורסמה והוחלפה ב-SHA-1 עקב חסרונות מהותיים שהתגלו בה.
*SHA-1 פונקציית גיבוב המפיקה תמצית באורך 160 סיביות. היא דומה מאוד ל-[[MD5]] במבנה הפנימי שלה. האלגוריתם פותח על ידי NSA על מנת שישמש כחלק מ[[חתימה דיגיטלית]] והוכנס לתקן FIPS PUB 180-1. לאחר שנמצאו פגמים גם בגרסה זו<ref>{{קישור כללי|כתובת=https://www.computerworld.com/article/3173616/the-sha1-hash-function-is-now-completely-unsafe.html|הכותב=Lucian Constantin|כותרת=The SHA1 hash function is now completely unsafe|אתר=Computerworld|תאריך=2017-02-23|שפה=en|תאריך_וידוא=2020-06-04}}</ref> היא אינה נתמכת יותר החל מ-2010.
*[[SHA-2]] היא משפחה של פונקציות גיבוב שפותחו גם הן על ידי NSA ונבדלות ביניהן בעיקר באורך התמצית שהן מפיקות ובמספר ערכים התחלתיים קבועים. הגרסאות הראשונות נקראו SHA-256, SHA-512 והוכנסו לתקן FIPS PUB 180-2. לאחריהן נוספו הפונקציות SHA-224, SHA-384 שנגזרות מהאחרות במספר שינויים מינוריים והתקן עודכן ל-FIPS PUB 180-3.
*[[SHA-3]] פונקציית גיבוב המבוססת על [[SHA-3#Keccak|קצ'אק]] שפותחה על ידי קריפטוגרפים בלגיים. בניגוד לפונקציות הקודמות במשפחה, פונקציה זו שונה לגמרי במבנה הפנימי שלה, היא נבחרה בתחרות פתוחה לציבור שהתקיימה בין השנים 2010-2012. היא תומכת בתמציות באותם אורכים כמו SHA-2 ונועדה למעשה לשמש כתחליף אופציונלי ל-SHA-2. הוכנסה לתקן FIPS PUB 202 כתקן נפרד אף שאינו אמור להחליף את קודמו אלא רק כאופציה נוספת בסגנון אחר.

==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 במאי 1993 על ידי ה-NIST לצורך ייצוג תמציתי של הודעות בשימוש ב[[Digital Signature Algorithm|אלגוריתמי חתימות]] וכאשר נדרש ערך גיבוב קריפטוגרפי ביישומים פדרליים{{הערה|[http://security.isu.edu/pdf/fips180.pdf FIPS 180]}}. אלגוריתם SHA בנוי ב[[שיטת מרקל-דמגרד]]. ה[[קלט]] שלו הוא מחרוזת שאורכה עד <math>2^{64}</math> [[סיבית|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{{הערה|[http://www.itl.nist.gov/fipspubs/fip180-1.htm FIPS 180-1] {{PDF}}}}.

בשנת 2002 הוסיף ה-NIST שלוש פונקציות נוספות לתקן SHA-256, SHA-384 ו-SHA-512{{הערה|[http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips180-2/fips180-2.pdf FIPS 180-2]}}. 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{{הערה|[http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips180-3/fips180-3_final.pdf FIPS 180-3]}}.

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]], [[SHA-3#Keccak|קצ'אק]] ו-[[Skein]]. בשנת 2012 פורסם הזוכה בתחרות לגיבוב SHA-3 והוא הצופן Keccak{{הערה|[http://csrc.nist.gov/groups/ST/hash/sha-3/winner_sha-3.html NIST בחרה את הזוכה בתחרות אלגוריתם הגיבוב (SHA-3)] - [[הודעה לעיתונות]] באתר של [[NIST]]}}.

== תיאור האלגוריתמים ==
[[קובץ:SHA-1.svg|ממוזער|שמאל|300px|התרשים מתאר [[איטרציה]] אחת בתוך פונקציית ה"כיווץ" של האלגוריתם. A,B,C,D,E הם מילים בנות 32 ביט אשר שומרות מצב; F היא פונקציה לא ליניארית משתנה; <sub>''s''</sub>[[קובץ:lll.png|left shift]] מסמלת הזזת סיביות ימנית ב-s מקומות. [[קובץ:Boxplus.png|Addition]] מסמל חיבור מודולו 2<sup>32</sup>. K<sub>t</sub> הוא קבוע.]]

=== 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 אתחול|וקטור האתחול]] (IV)
<div style="direction: ltr;">
<math>A=\text{0x67452301}</math>{{ש}}
<math>B=\text{0xEFCDAB89}</math>{{ש}}
<math>C=\text{0x98BADCFE}</math>{{ש}}
<math>D=\text{0x10325476}</math>{{ש}}
<math>E=\text{0xC3D2E1F0}</math>{{ש}}
<math>h_0=(A,B,C,D,E)</math>
</div>

לאחר מכן, קלט הפונקציה מחולק לבלוקים באורך 512 סיביות המכונים <math>M_1,M_2...M_\ell</math>; 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 (<math>h_i=H(H_{i-1},M_i)</math>). 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 <math>w_0,w_1...w_{15}</math>. לאחר מכן, הפונקציה מרחיבה את 16 החלקים ל-80 באמצעות הפעלת ה-[[LFSR]] הבא 64 פעמים:
<div style="direction: ltr;">
<math>w_t=w_{t-3}\oplus w_{t-8}\oplus w_{t-14} \oplus w_{t-16}</math>
</div>
תמצות המסר: עבור כל אחד מ-80 החלקים של המסר, הפונקציה מפעילה את האלגוריתם הבא:
<div style="direction: ltr;"><math>
T=(A\lll 5)+f_t(B_t,C_t,D_t)+E_t+W_t+K_t
</math>
<math>E_{t+1}=D_t;D_{t+1}=C_t;C_{t+1}=B_t\lll 30;B_{t+1}=A_t;A_{t+1}=T</math>
</div>
פלט: פונקציית התמצות מחזירה את הפלט: <div style="direction: ltr;"><math>A=A_0+A_{80};B=B_0+B_{80};C=C_0+C_{80};D=D_0+D_{80};E=E_0+E_{80}</math></div>{{ש}}
הפונקציה <math>f</math> והקבוע K מוגדרים כך:
<div style="direction: ltr;"><math>0\leq t\leq 19 \ K=0x5A827999 \ f_t(X,Y,Z)=XY\vee(\neg X)Z </math>
<math>20\leq t\leq 39 \ K=0x6ED9EBA1 \ f_t(X,Y,Z)=X\oplus Y \oplus Z </math>

<math>40\leq t\leq 59 \ K=0x8F1BBCDC \ f_t(X,Y,Z)=XY\vee XZ \vee YZ </math>
<math>60\leq t\leq 79 \ K=0xCA62C1D6 \ f_t(X,Y,Z)=X\oplus Y\oplus Z </math></div>

=== 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:
<div style="direction: ltr;">
<math>w_t=(w_{t-3}\oplus w_{t-8}\oplus w_{t-14} \oplus w_{t-16})\lll 1</math>
</div>

== בטיחות ==
מספר התקפות על פונקציות ה-'''SHA-0''' וה-'''SHA-1''' נתגלו עד כה. טרם דווחו התקפות על '''SHA-2''', אולם מכיוון שהפונקציות הללו מבוססות על אלגוריתם דומה, קיים חשש שגם האחרונה תהיה בקרוב פגיעה להתקפות.

בשנת 2005 פרסמו צוות חוקרים מאוניברסיטת שאנדונג סין, התקפה על SHA-1 שמוצאת [[התנגשות (מדעי המחשב)|התנגשות]] ב-<math>2^{69}</math> פעולות ולאור זאת לא מומלץ לשימוש כיום. לגבי SHA-256 ומעלה לא דווח על חולשות מסוימות, כך שהם עדיין טובים לשימוש.

להלן טבלת האלגוריתמים ובטיחותם כפי שפורסם על ידי NIST:
{| class="wikitable"
! האלגוריתם !! גודל מסר מקסימלי בסיביות !! גודל גוש בסיביות !! גודל מילה (Word) !! גודל תמצית המסר (בסיביות) !! בטיחות* (בסיביות)
|-
| SHA-1 || <math>\ 2^{64}</math> || <math>\ 512</math> || <math>\ 32</math> || <math>\ 160</math> || <math>\ 80</math>
|- style="background-color: #EFEFEF;"
| SHA-256 || <math>\ 2^{64}</math> || <math>\ 512</math> || <math>\ 32</math> || <math>\ 256</math> || <math>\ 128</math>
|-
| SHA-384 || <math>\ 2^{128}</math> || <math>\ 1024</math> || <math>\ 64</math> || <math>\ 384</math> || <math>\ 192</math>
|- style="background-color: #EFEFEF;"
| SHA-512 || <math>\ 2^{128}</math> || <math>\ 1024</math> || <math>\ 64</math> || <math>\ 512</math> || <math>\ 256</math>
|}
* בהקשר זה הבטיחות מתייחסת לכמות העבודה הנדרשת למציאת התנגשות (מסרים שונים המפיקים פלט זהה) תוך שימוש ב[[פרדוקס יום ההולדת|התקפת יום ההולדת]]. הערך מתפרש כ-<math>\ 2^{n/2}</math>.

==ראו גם==
* [[SHA-2]]
* [[SHA-3]]

== הערות שוליים ==
<div style="direction: ltr;">{{הערות שוליים}}</div>

{{קריפטוגרפיה}}
[[קטגוריה:פונקציות גיבוב קריפטוגרפיות]]