SHA-1

SHA-1

Aufbau einer Runde von SHA-0 und SHA-1

Die korrigierte Version des SHA unterscheidet sich von SHA-0 nur in einem kleinen Detail (Linksshift in der Schlüsseleinteilung), nicht jedoch in der Anzahl der durchlaufenen Runden oder sonstiger Maßnahmen, die unmittelbar eine wesentlich höhere Sicherheit erwarten lassen. Die Kryptoanalyse bestätigt jedoch, dass der Linksshift die Berechnung von Kollisionen offenbar erheblich erschwert.

Prinzipiell wurde von den gleichen Entwurfszielen wie beim MD4 ausgegangen. Mit seinem längeren Hash-Wert von 160 Bit ist SHA aber widerstandsfähiger gegen Brute-Force-Angriffe zum Auffinden von Kollisionen.

Schwächen

Am 15. Februar 2005 meldete der Kryptographieexperte Bruce Schneier in seinem Blog, dass die Wissenschaftler Xiaoyun Wang, Yiqun Lisa Yin und Hongbo Yu von Shandong University in China erfolgreich SHA-1 gebrochen hätten. Ihnen war es gelungen, den Aufwand zur Kollisionsberechnung von 2⁸⁰ auf 2⁶⁹ zu verringern. 2⁶⁹ Berechnungen könnten eventuell mit Hochleistungsrechnern durchgeführt werden.

Kurze Zeit später, am 17. August 2005, wurde von Xiaoyun Wang, Andrew Yao und Frances Yao auf der Konferenz CRYPTO 2005 ein weiterer, effizienterer Kollisionsangriff auf SHA-1 vorgestellt, welcher den Berechnungsaufwand auf 2⁶³ reduziert.

Im August 2006 wurde auf der CRYPTO 2006 ein weiterer, wesentlich schwerwiegenderer Angriff gegen SHA-1 präsentiert, der möglicherweise auch in der Praxis Auswirkungen zeigen kann. Bei diesem Angriff kann ein Teil der gefälschten Nachricht (derzeit bis zu 25 %) im Inhalt frei gewählt werden. Bei den bisherigen Kollisionsangriffen wurden die so genannten Hash-Zwillinge lediglich mit sinnlosen Buchstabenkombinationen des Klartextes gebildet und waren damit leicht zu erkennen.

Ein kritisches Angriffsszenario setzt aber voraus, dass der Angreifer eine zweite, zumindest in Teilen sinnvolle Variante eines Dokuments erzeugen kann, die den gleichen SHA-1-Wert und damit auch die gleiche Signatur ergibt. Die bei der neuen Angriffsmethode derzeit verbleibenden 75 % sinnloser Buchstabenkombinationen (also Datenmüll) können vor den Augen eines ungeschulten Betrachters ggf. technisch leicht verborgen werden. Der Angreifer kann daher behaupten, die gefälschte Variante sei an Stelle der originalen Variante signiert worden.

Vom 8. August 2007 bis 12. Mai 2009 versuchte eine Forschungsgruppe der Technischen Universität Graz mittels eines Distributed-Computing-Projektes Kollisionen im SHA-1-Algorithmus zu finden (SHA-1 Collision Search Graz). Das Projekt wurde aufgrund zu geringen Fortschritts beendet.

Im Oktober 2015 veröffentlichten die Forscher Marc Stevens, Pierre Karpman und Thomas Peyrin eine Freestart-Kollision für die Kompressionsfunktion von SHA1. Aufgrund dieses Ergebnisses korrigierten sie die bis dahin akzeptierten Vorausberechnungen, wann es zu welchen Kosten möglich ist, für SHA-1 aufgrund der kontinuierlichen Erhöhung der Rechenleistung Chosen-Prefix-Kollisionen zu finden, die zur Fälschung von TLS-Zertifikaten notwendig sind. Sie empfahlen, die Nutzung von SHA-1 so bald wie möglich einzustellen und zu SHA-2 oder SHA-3 überzugehen.

Im Februar 2017 wurde die erste Kollision von SHA-1 veröffentlicht. Google-Mitarbeiter hatten zwei unterschiedliche und funktionierende PDF-Dateien erzeugt, welche dieselbe SHA-1-Prüfsumme aufweisen.

Empfehlungen

Als Reaktion auf die bekanntgewordenen Angriffe gegen SHA-1 hielt das National Institute of Standards and Technology (NIST) im Oktober 2005 einen Workshop ab, in dem der aktuelle Stand kryptologischer Hashfunktionen diskutiert wurde. NIST empfiehlt den Übergang von SHA-1 zu Hashfunktionen der SHA-2-Familie (SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512). Langfristig sollen diese durch den neuen Standard SHA-3 ersetzt werden. Dazu rief das NIST nach Vorbild des Advanced Encryption Standard (AES) zu einer Ausschreibung auf. Die endgültige Wahl und Benennung fiel dann im Oktober 2012 auf Keccak.

Im Oktober 2015 empfahl Bruce Schneier zu SHA-3 überzugehen.

Beispiel-Hashes

SHA1("Franz jagt im komplett verwahrlosten Taxi quer durch Bayern")
 = 68ac906495480a3404beee4874ed853a037a7a8f

Ein Tippfehler (G statt F) ändert den Text um nur ein Bit (ASCII-Code 0x47 statt 0x46):

SHA1("Granz jagt im komplett verwahrlosten Taxi quer durch Bayern")
 = 89fdde0b28373dc4f361cfb810b35342cc2c3232

Eine kleine Änderung der Nachricht erzeugt also einen komplett anderen Hash. Diese Eigenschaft wird in der Kryptographie auch als Lawineneffekt bezeichnet.

Der Hash eines Strings der Länge Null ist:

SHA1("")
 = da39a3ee5e6b4b0d3255bfef95601890afd80709

Pseudocode

Es folgt der Pseudocode für den SHA-1.

// Beachte: Alle Variablen sind vorzeichenlose 32-Bit-Werte und
// verhalten sich bei Berechnungen kongruent (≡) modulo 2^32

// Initialisiere die Variablen:
var int h0 := 0x67452301
var int h1 := 0xEFCDAB89
var int h2 := 0x98BADCFE
var int h3 := 0x10325476
var int h4 := 0xC3D2E1F0

// Vorbereitung der Nachricht 'message':
var int message_laenge := bit_length(message)
erweitere message um bit "1"
erweitere message um bits "0" bis Länge von message in bits ≡ 448 (mod 512)
erweitere message um message_laenge als 64-Bit big-endian Integer

// Verarbeite die Nachricht in aufeinander folgenden 512-Bit-Blöcken:
für alle 512-Bit Block von message
   unterteile Block in 16 32-bit big-endian Worte w(i), 0 ≤ i ≤ 15

   // Erweitere die 16 32-Bit-Worte auf 80 32-Bit-Worte:
   für alle i von 16 bis 79
       w(i) := (w(i-3) xor w(i-8) xor w(i-14) xor w(i-16)) leftrotate 1

   // Initialisiere den Hash-Wert für diesen Block:
   var int a := h0
   var int b := h1
   var int c := h2
   var int d := h3
   var int e := h4

   // Hauptschleife:
   für alle i von 0 bis 79
       wenn 0 ≤ i ≤ 19 dann
           f := (b and c) or ((not b) and d)
           k := 0x5A827999
       sonst wenn 20 ≤ i ≤ 39 dann
           f := b xor c xor d
           k := 0x6ED9EBA1
       sonst wenn 40 ≤ i ≤ 59 dann
           f := (b and c) or (b and d) or (c and d)
           k := 0x8F1BBCDC
       sonst wenn 60 ≤ i ≤ 79 dann
           f := b xor c xor d
           k := 0xCA62C1D6
       wenn_ende

       temp := (a leftrotate 5) + f + e + k + w(i)
       e := d
       d := c
       c := b leftrotate 30
       b := a
       a := temp

   // Addiere den Hash-Wert des Blocks zur Summe der vorherigen Hashes:
   h0 := h0 + a
   h1 := h1 + b
   h2 := h2 + c
   h3 := h3 + d
   h4 := h4 + e

digest = hash = h0 append h1 append h2 append h3 append h4 //(Darstellung als big-endian)

Beachte: Anstatt der Original-Formulierung aus dem FIPS PUB 180-1 können alternativ auch folgende Formulierungen verwendet werden:

(0 ≤ i ≤ 19): f := d xor (b and (c xor d)) (Alternative)

(40 ≤ i ≤ 59): f := (b and c) or (d and (b or c)) (Alternative 1)
(40 ≤ i ≤ 59): f := (b and c) or (d and (b xor c)) (Alternative 2)
(40 ≤ i ≤ 59): f := (b and c) + (d and (b xor c)) (Alternative 3)

(40 ≤ i ≤ 59): f := (b and c) xor (d and (b xor c)) (Alternative 4)