はじめに
BLAKEは、SHA-3の最終選考まで残ったハッシュ関数です。
これを改良したものが、BLAKE2と呼ばれるもので、64ビットのBLAKE2bと32ビットのBLAKE2sがあります。
詳しくは、BLAKE - Wikipediaを参照ください。
ここでは、RFC-7693の手順で、BLAKE2sの実装をjavascriptで行いたいと思います。
（javascriptは64ビット演算が通常の整数で出来ない為）
BLAKE2s
今回は、BLAKE2sクラスを作成します。
class BLAKE2s {
// ここに各処理を記述します。
}
コンストラクタ
各値の初期化を設定して、インスタンスを返します。
- パラメータ
- ハッシュサイズ（
nn） - キー（
key）
- ハッシュサイズ（
- リターン
- BLAKE2sオブジェクト
①キーサイズ ：32バイトまでのキーを使う事が出来ます。なしでも可能です。
②ハッシュサイズ ：1~32バイトが設定可能です。
③インプットサイズ ：入力されたメッセージのバイトサイズです。64ビットの為、32ビット2つとしています。
④初期ベクトル ：32バイトを8個です。SHA2と同じく素数の小数部分です。
⑤メッセージワードスケジュール
：メッセージを16バイト毎に処理するので、一行には0~15までが必ずあります。
⑥ハッシュ値 ：初期値は初期ベクトルです。
⑦パラメータブロック：ハッシュ値の0番目にパラメータブロックのXORを設定します。※１
⑧キャッシュ ：キーがある場合、キャッシュに設定します。
⑨ゼロ埋め ：64バイトになるまでゼロで埋めます。
※１：パラメータブロックは32ビットでオフセット0にはハッシュサイズ、1にはキーサイズを設定します。
byte offset: 3 2 1 0 (otherwise zero)
p[0] = 0x0101kknn p[1..7] = 0
javascriptで実装します。
constructor(nn, key) {
if (nn < 1 || 32 < nn) {
throw new Error("blake2s: invalid hash size");
}
let kk = key.length; // ①
if (32 < kk) {
throw new Error("blake2s: invalid key size");
}
this.nn = nn; // ②
this.ll = [0, 0]; // ③
this.IV = [
0x6a09e667, 0xbb67ae85, 0x3c6ef372, 0xa54ff53a,
0x510e527f, 0x9b05688c, 0x1f83d9ab, 0x5be0cd19,
]; // ④
this.SIGMA = [
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15],
[14, 10, 4, 8, 9, 15, 13, 6, 1, 12, 0, 2, 11, 7, 5, 3],
[11, 8, 12, 0, 5, 2, 15, 13, 10, 14, 3, 6, 7, 1, 9, 4],
[7, 9, 3, 1, 13, 12, 11, 14, 2, 6, 5, 10, 4, 0, 15, 8],
[9, 0, 5, 7, 2, 4, 10, 15, 14, 1, 11, 12, 6, 8, 3, 13],
[2, 12, 6, 10, 0, 11, 8, 3, 4, 13, 7, 5, 15, 14, 1, 9],
[12, 5, 1, 15, 14, 13, 4, 10, 0, 7, 6, 3, 9, 2, 8, 11],
[13, 11, 7, 14, 12, 1, 3, 9, 5, 0, 15, 4, 8, 6, 2, 10],
[6, 15, 14, 9, 11, 3, 0, 8, 12, 2, 13, 7, 1, 4, 10, 5],
[10, 2, 8, 4, 7, 6, 1, 5, 15, 11, 9, 14, 3, 12, 13, 0],
]; // ⑤
this.h = this.IV.concat(); // ⑥
// Parameter block p[0]
this.h[0] ^= 0x01010000 ^ (kk << 8) ^ nn; // ⑦
this.cash = [];
if (kk > 0) {
this.cash = key.concat(); // ⑧
while (this.cash.length < 64) { // ⑨
this.cash.push(0);
}
}
}
ミキシング関数
- パラメータ
- 作業ベクトル（
v：16バイト） - ベクトルワードインデックス（
a、b、c、d：4ワード） - インプットワード（
x、y：2ワード）
- 作業ベクトル（
2つのインプットワードを4つのベクトルワードでミキシングし作業ベクトルを更新します。
g(v, a, b, c, d, x, y) {
v[a] = (v[a] + v[b] + x) >>> 0;
v[d] = ((v[d] ^ v[a]) >>> 16) | ((v[d] ^ v[a]) << 16);
v[c] = (v[c] + v[d]) >>> 0;
v[b] = ((v[b] ^ v[c]) >>> 12) | ((v[b] ^ v[c]) << 20);
v[a] = (v[a] + v[b] + y) >>> 0;
v[d] = ((v[d] ^ v[a]) >>> 8) | ((v[d] ^ v[a]) << 24);
v[c] = (v[c] + v[d]) >>> 0;
v[b] = ((v[b] ^ v[c]) >>> 7) | ((v[b] ^ v[c]) << 25);
}
圧縮関数
- パラメータ
- メッセージブロック（
m：16バイト） - 最終フラグ（
f）
- メッセージブロック（
① ：ハッシュに初期ベクトルを連結します。（8バイト+8バイトの16バイト）
②②'：連結したベクトルのインデックス12、13にインプットサイズをXORします。
③ ：最終フラグが真の場合、インデックス14に0xffffffffをXORします。
④ ：10ラウンドミキシングします。（ChaCha20と同じように縦と斜めです。）
⑤ ：ベクトルを16バイトから8バイトにXORで圧縮します。
f(m, f) {
let v = this.h.concat(this.IV); // ①
v[12] ^= this.ll[0]; // ②
v[13] ^= this.ll[1]; // ②'
if (f) {
v[14] ^= 0xffffffff; // ③
}
for (let i = 0; i < 10; i++) { // ④
let s = this.SIGMA[i % 10];
this.g(v, 0, 4, 8, 12, m[s[0]], m[s[1]]);
this.g(v, 1, 5, 9, 13, m[s[2]], m[s[3]]);
this.g(v, 2, 6, 10, 14, m[s[4]], m[s[5]]);
this.g(v, 3, 7, 11, 15, m[s[6]], m[s[7]]);
this.g(v, 0, 5, 10, 15, m[s[8]], m[s[9]]);
this.g(v, 1, 6, 11, 12, m[s[10]], m[s[11]]);
this.g(v, 2, 7, 8, 13, m[s[12]], m[s[13]]);
this.g(v, 3, 4, 9, 14, m[s[14]], m[s[15]]);
}
for (let i = 0; i < 8; i++) {
this.h[i] ^= v[i] ^ v[i + 8]; // ⑤
}
}
更新関数（ダイジェスト計算）
- パラメータ
- メッセージ（バイト配列）
①：パラメータのメッセージをバイト数分ループします。
②：キャッシュサイズが64であるかチェックします、64バイトであれば③〜⑥までの処理をします。
③：インプットサイズに64を加算します。
④：キャッシュをメッセージブロックに変換します。
⑤：メッセージブロックで圧縮関数を実行します。最終フラグは偽です。
⑥：キャッシュを空にします。
⑦：キャッシュにメッセージのバイトを追加します。
update(bs) {
for (let i = 0; i < bs.length; i++) { // ①
if (this.cash.length == 64) { // ②
this.ll[0] += 64; // ③
if (this.ll[0] > 0xffffffff) {
this.ll[1] += 1;
this.ll[0] >>>= 0;
}
let m = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, // ④
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0];
for (let i = 0; i < m.length; i++) {
m[i] = this.cash[i * 4 + 3] << 24 |
this.cash[i * 4 + 2] << 16 |
this.cash[i * 4 + 1] << 8 |
this.cash[i * 4];
}
this.f(m, false); // ⑤
this.cash = []; // ⑥
}
this.cash.push(bs[i]); // ⑦
}
}
最終関数（ダイジェスト計算）
- リターン
- ハッシュ値
①：最終のインプットサイズを設定します。
②：キャッシュサイズが64未満の場合は64バイトになるまで0で埋めます。
③：キャッシュをメッセージブロックに変換します。
④：メッセージブロックで圧縮関数を実行します。最終フラグは真です。
⑤：ハッシュをバイト配列にします。
⑥：指定のハッシュサイズ分、返します。
final() {
let size = this.cash.length; // ①
this.ll[0] += size;
if (this.ll[0] > 0xffffffff) {
this.ll[1] += 1;
this.ll[0] >>>= 0;
}
while (this.cash.length < 64) { // ②
this.cash.push(0);
}
let m = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, // ③
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0];
for (let i = 0; i < m.length; i++) {
m[i] = this.cash[i * 4 + 3] << 24 |
this.cash[i * 4 + 2] << 16 |
this.cash[i * 4 + 1] << 8 |
this.cash[i * 4];
}
this.f(m, true); // ④
let out = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, // ⑤
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0];
for (let i = 0; i < this.h.length; i++) {
out[i * 4 + 3] = this.h[i] >>> 24 & 0xff;
out[i * 4 + 2] = this.h[i] >>> 16 & 0xff;
out[i * 4 + 1] = this.h[i] >>> 8 & 0xff;
out[i * 4 + 0] = this.h[i] & 0xff;
if ((i * 4) > this.nn) {
break;
}
}
return out.slice(0, this.nn); // ⑥
}
ダイジェスト計算
- パラメータ
- ハッシュサイズ（
nn） - キー（
key） - メッセージ（
in、バイト配列）
- ハッシュサイズ（
- リターン
- ハッシュ値
static blake2s(nn, key, in_) {
let b2s = new BLAKE2s(nn, key);
b2s.update(in_);
return b2s.final();
}
さいごに
高速で強度の高いハッシュ関数ですが、案外簡単に実装できます。
自身の得意とする言語等で実装してみてください。
ソースコードは、Githubにあります。