杨锴
2024-08-14 909e20941e45f8712c012db602034b47da0bfdb0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
//
//  CryptoSwift
//
//  Copyright (C) 2014-2022 Marcin Krzyżanowski <marcin@krzyzanowskim.com>
//  This software is provided 'as-is', without any express or implied warranty.
//
//  In no event will the authors be held liable for any damages arising from the use of this software.
//
//  Permission is granted to anyone to use this software for any purpose,including commercial applications, and to alter it and redistribute it freely, subject to the following restrictions:
//
//  - The origin of this software must not be misrepresented; you must not claim that you wrote the original software. If you use this software in a product, an acknowledgment in the product documentation is required.
//  - Altered source versions must be plainly marked as such, and must not be misrepresented as being the original software.
//  - This notice may not be removed or altered from any source or binary distribution.
//
 
//  http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/FIPS/NIST.FIPS.202.pdf
//  http://keccak.noekeon.org/specs_summary.html
//
 
#if canImport(Darwin)
import Darwin
#elseif canImport(Glibc)
import Glibc
#elseif canImport(ucrt)
import ucrt
#endif
 
public final class SHA3: DigestType {
  let round_constants: Array<UInt64> = [
    0x0000000000000001, 0x0000000000008082, 0x800000000000808a, 0x8000000080008000,
    0x000000000000808b, 0x0000000080000001, 0x8000000080008081, 0x8000000000008009,
    0x000000000000008a, 0x0000000000000088, 0x0000000080008009, 0x000000008000000a,
    0x000000008000808b, 0x800000000000008b, 0x8000000000008089, 0x8000000000008003,
    0x8000000000008002, 0x8000000000000080, 0x000000000000800a, 0x800000008000000a,
    0x8000000080008081, 0x8000000000008080, 0x0000000080000001, 0x8000000080008008
  ]
 
  public let blockSize: Int
  public let digestLength: Int
  public let markByte: UInt8
 
  @usableFromInline
  var accumulated = Array<UInt8>()
 
 
  @usableFromInline
  var accumulatedHash: Array<UInt64>
 
  public enum Variant {
    case sha224, sha256, sha384, sha512, keccak224, keccak256, keccak384, keccak512
 
    var digestLength: Int {
      100 - (self.blockSize / 2)
    }
 
    var blockSize: Int {
      (1600 - self.outputLength * 2) / 8
    }
 
    var markByte: UInt8 {
      switch self {
        case .sha224, .sha256, .sha384, .sha512:
          return 0x06 // 0x1F for SHAKE
        case .keccak224, .keccak256, .keccak384, .keccak512:
          return 0x01
      }
    }
 
    public var outputLength: Int {
      switch self {
        case .sha224, .keccak224:
          return 224
        case .sha256, .keccak256:
          return 256
        case .sha384, .keccak384:
          return 384
        case .sha512, .keccak512:
          return 512
      }
    }
  }
 
  public init(variant: SHA3.Variant) {
    self.blockSize = variant.blockSize
    self.digestLength = variant.digestLength
    self.markByte = variant.markByte
    self.accumulatedHash = Array<UInt64>(repeating: 0, count: self.digestLength)
  }
 
  @inlinable
  public func calculate(for bytes: Array<UInt8>) -> Array<UInt8> {
    do {
      return try update(withBytes: bytes.slice, isLast: true)
    } catch {
      return []
    }
  }
 
  public func callAsFunction(_ bytes: Array<UInt8>) -> Array<UInt8> {
    calculate(for: bytes)
  }
 
  ///  1. For all pairs (x,z) such that 0≤x<5 and 0≤z<w, let
  ///     C[x,z]=A[x, 0,z] ⊕ A[x, 1,z] ⊕ A[x, 2,z] ⊕ A[x, 3,z] ⊕ A[x, 4,z].
  ///  2. For all pairs (x, z) such that 0≤x<5 and 0≤z<w let
  ///     D[x,z]=C[(x1) mod 5, z] ⊕ C[(x+1) mod 5, (z –1) mod w].
  ///  3. For all triples (x, y, z) such that 0≤x<5, 0≤y<5, and 0≤z<w, let
  ///     A′[x, y,z] = A[x, y,z] ⊕ D[x,z].
  private func θ(_ a: inout Array<UInt64>) {
    let c = UnsafeMutablePointer<UInt64>.allocate(capacity: 5)
    c.initialize(repeating: 0, count: 5)
    defer {
      c.deinitialize(count: 5)
      c.deallocate()
    }
    let d = UnsafeMutablePointer<UInt64>.allocate(capacity: 5)
    d.initialize(repeating: 0, count: 5)
    defer {
      d.deinitialize(count: 5)
      d.deallocate()
    }
 
    for i in 0..<5 {
      c[i] = a[i] ^ a[i &+ 5] ^ a[i &+ 10] ^ a[i &+ 15] ^ a[i &+ 20]
    }
 
    d[0] = rotateLeft(c[1], by: 1) ^ c[4]
    d[1] = rotateLeft(c[2], by: 1) ^ c[0]
    d[2] = rotateLeft(c[3], by: 1) ^ c[1]
    d[3] = rotateLeft(c[4], by: 1) ^ c[2]
    d[4] = rotateLeft(c[0], by: 1) ^ c[3]
 
    for i in 0..<5 {
      a[i] ^= d[i]
      a[i &+ 5] ^= d[i]
      a[i &+ 10] ^= d[i]
      a[i &+ 15] ^= d[i]
      a[i &+ 20] ^= d[i]
    }
  }
 
  /// A′[x, y, z]=A[(x &+ 3y) mod 5, x, z]
  private func π(_ a: inout Array<UInt64>) {
    let a1 = a[1]
    a[1] = a[6]
    a[6] = a[9]
    a[9] = a[22]
    a[22] = a[14]
    a[14] = a[20]
    a[20] = a[2]
    a[2] = a[12]
    a[12] = a[13]
    a[13] = a[19]
    a[19] = a[23]
    a[23] = a[15]
    a[15] = a[4]
    a[4] = a[24]
    a[24] = a[21]
    a[21] = a[8]
    a[8] = a[16]
    a[16] = a[5]
    a[5] = a[3]
    a[3] = a[18]
    a[18] = a[17]
    a[17] = a[11]
    a[11] = a[7]
    a[7] = a[10]
    a[10] = a1
  }
 
  /// For all triples (x, y, z) such that 0≤x<5, 0≤y<5, and 0≤z<w, let
  /// A′[x, y,z] = A[x, y,z] ⊕ ((A[(x+1) mod 5, y, z] ⊕ 1) ⋅ A[(x+2) mod 5, y, z])
  private func χ(_ a: inout Array<UInt64>) {
    for i in stride(from: 0, to: 25, by: 5) {
      let a0 = a[0 &+ i]
      let a1 = a[1 &+ i]
      a[0 &+ i] ^= ~a1 & a[2 &+ i]
      a[1 &+ i] ^= ~a[2 &+ i] & a[3 &+ i]
      a[2 &+ i] ^= ~a[3 &+ i] & a[4 &+ i]
      a[3 &+ i] ^= ~a[4 &+ i] & a0
      a[4 &+ i] ^= ~a0 & a1
    }
  }
 
  private func ι(_ a: inout Array<UInt64>, round: Int) {
    a[0] ^= self.round_constants[round]
  }
 
  @usableFromInline
  func process(block chunk: ArraySlice<UInt64>, currentHash hh: inout Array<UInt64>) {
    // expand
    hh[0] ^= chunk[0].littleEndian
    hh[1] ^= chunk[1].littleEndian
    hh[2] ^= chunk[2].littleEndian
    hh[3] ^= chunk[3].littleEndian
    hh[4] ^= chunk[4].littleEndian
    hh[5] ^= chunk[5].littleEndian
    hh[6] ^= chunk[6].littleEndian
    hh[7] ^= chunk[7].littleEndian
    hh[8] ^= chunk[8].littleEndian
    if self.blockSize > 72 { // 72 / 8, sha-512
      hh[9] ^= chunk[9].littleEndian
      hh[10] ^= chunk[10].littleEndian
      hh[11] ^= chunk[11].littleEndian
      hh[12] ^= chunk[12].littleEndian
      if self.blockSize > 104 { // 104 / 8, sha-384
        hh[13] ^= chunk[13].littleEndian
        hh[14] ^= chunk[14].littleEndian
        hh[15] ^= chunk[15].littleEndian
        hh[16] ^= chunk[16].littleEndian
        if self.blockSize > 136 { // 136 / 8, sha-256
          hh[17] ^= chunk[17].littleEndian
          // FULL_SHA3_FAMILY_SUPPORT
          if self.blockSize > 144 { // 144 / 8, sha-224
            hh[18] ^= chunk[18].littleEndian
            hh[19] ^= chunk[19].littleEndian
            hh[20] ^= chunk[20].littleEndian
            hh[21] ^= chunk[21].littleEndian
            hh[22] ^= chunk[22].littleEndian
            hh[23] ^= chunk[23].littleEndian
            hh[24] ^= chunk[24].littleEndian
          }
        }
      }
    }
 
    // Keccak-f
    for round in 0..<24 {
      self.θ(&hh)
 
      hh[1] = rotateLeft(hh[1], by: 1)
      hh[2] = rotateLeft(hh[2], by: 62)
      hh[3] = rotateLeft(hh[3], by: 28)
      hh[4] = rotateLeft(hh[4], by: 27)
      hh[5] = rotateLeft(hh[5], by: 36)
      hh[6] = rotateLeft(hh[6], by: 44)
      hh[7] = rotateLeft(hh[7], by: 6)
      hh[8] = rotateLeft(hh[8], by: 55)
      hh[9] = rotateLeft(hh[9], by: 20)
      hh[10] = rotateLeft(hh[10], by: 3)
      hh[11] = rotateLeft(hh[11], by: 10)
      hh[12] = rotateLeft(hh[12], by: 43)
      hh[13] = rotateLeft(hh[13], by: 25)
      hh[14] = rotateLeft(hh[14], by: 39)
      hh[15] = rotateLeft(hh[15], by: 41)
      hh[16] = rotateLeft(hh[16], by: 45)
      hh[17] = rotateLeft(hh[17], by: 15)
      hh[18] = rotateLeft(hh[18], by: 21)
      hh[19] = rotateLeft(hh[19], by: 8)
      hh[20] = rotateLeft(hh[20], by: 18)
      hh[21] = rotateLeft(hh[21], by: 2)
      hh[22] = rotateLeft(hh[22], by: 61)
      hh[23] = rotateLeft(hh[23], by: 56)
      hh[24] = rotateLeft(hh[24], by: 14)
 
      self.π(&hh)
      self.χ(&hh)
      self.ι(&hh, round: round)
    }
  }
}
 
extension SHA3: Updatable {
 
  @inlinable
  public func update(withBytes bytes: ArraySlice<UInt8>, isLast: Bool = false) throws -> Array<UInt8> {
    self.accumulated += bytes
 
    if isLast {
      // Add padding
      let markByteIndex = self.accumulated.count
 
      // We need to always pad the input. Even if the input is a multiple of blockSize.
      let r = self.blockSize * 8
      let q = (r / 8) - (accumulated.count % (r / 8))
      self.accumulated += Array<UInt8>(repeating: 0, count: q)
 
      self.accumulated[markByteIndex] |= self.markByte
      self.accumulated[self.accumulated.count - 1] |= 0x80
    }
 
    var processedBytes = 0
    for chunk in self.accumulated.batched(by: self.blockSize) {
      if isLast || (self.accumulated.count - processedBytes) >= self.blockSize {
        self.process(block: chunk.toUInt64Array().slice, currentHash: &self.accumulatedHash)
        processedBytes += chunk.count
      }
    }
    self.accumulated.removeFirst(processedBytes)
 
    // TODO: verify performance, reduce vs for..in
    let result = self.accumulatedHash.reduce(into: Array<UInt8>()) { (result, value) in
      result += value.bigEndian.bytes()
    }
 
    // reset hash value for instance
    if isLast {
      self.accumulatedHash = Array<UInt64>(repeating: 0, count: self.digestLength)
    }
 
    return Array(result[0..<self.digestLength])
  }
}