BLAKE及BLAKE2算法详解

1 简介

哈希算法 (Hash Algorithm) 是将任意长度的数据映射为固定长度数据的算法，也称为消息摘要。
一般情况下，哈希算法有两个特点：

1. 原始数据的细微变化（比如一个位翻转）会导致结果产生巨大差距
2. 运算过程不可逆，理论上无法从结果还原输入数据

因此，哈希算法主要用于数据完整性校验和加密/签名。而哈希算法的安全性就在于碰撞难易度，即已知结果，构建出具有相同结果的输入数据的难易度。

2 BLAKE

BLAKE算法于2008年提出，它包含两个版本，一种基于32位word用于产生最长256位的哈希结果，一种基于64位word用于产生最长512位的哈希结果，BLAKE算法核心操作是不断地将8个散列中间结果和16个输入word进行组合，从而产生下一轮组合的8个中间结果。按照最终截断的哈希长度，BLAKE-256和BLAKE-224使用32位字分别产生256位和224位的哈希结果（也称消息摘要），而BLAKE-512和BLAKE-384使用64位字并产生512位和384位哈希结果。算法核心变量如下：

typedef struct
{
  uint32_t h[8], s[4], t[2];
  int buflen, nullt;
  uint8_t  buf[64];
} state256;

typedef state256 state224;

typedef struct
{
  uint64_t h[8], s[4], t[2];
  int buflen, nullt;
  uint8_t buf[128];
} state512;

typedef state512 state384;

const uint8_t sigma[][16] =
{
  { 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 },
  { 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 }
};

const uint32_t u256[16] =
{
  0x243f6a88, 0x85a308d3, 0x13198a2e, 0x03707344,
  0xa4093822, 0x299f31d0, 0x082efa98, 0xec4e6c89,
  0x452821e6, 0x38d01377, 0xbe5466cf, 0x34e90c6c,
  0xc0ac29b7, 0xc97c50dd, 0x3f84d5b5, 0xb5470917
};

const uint64_t u512[16] =
{
  0x243f6a8885a308d3ULL, 0x13198a2e03707344ULL, 
  0xa4093822299f31d0ULL, 0x082efa98ec4e6c89ULL,
  0x452821e638d01377ULL, 0xbe5466cf34e90c6cULL, 
  0xc0ac29b7c97c50ddULL, 0x3f84d5b5b5470917ULL,
  0x9216d5d98979fb1bULL, 0xd1310ba698dfb5acULL, 
  0x2ffd72dbd01adfb7ULL, 0xb8e1afed6a267e96ULL,
  0xba7c9045f12c7f99ULL, 0x24a19947b3916cf7ULL, 
  0x0801f2e2858efc16ULL, 0x636920d871574e69ULL
};


static const uint8_t padding[129] =
{
  0x80, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 
  0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 
  0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 
  0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
  0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
  0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 
  0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 
  0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0
};

blake256核心计算过程如下：

void blake256_compress( state256 *S, const uint8_t *block )
{
  uint32_t v[16], m[16], i;
#define ROT(x,n) (((x)<<(32-n))|( (x)>>(n)))
#define G(a,b,c,d,e)          
  v[a] += (m[sigma[i][e]] ^ u256[sigma[i][e+1]]) + v[b]; 
  v[d] = ROT( v[d] ^ v[a],16);        
  v[c] += v[d];           
  v[b] = ROT( v[b] ^ v[c],12);        
  v[a] += (m[sigma[i][e+1]] ^ u256[sigma[i][e]])+v[b]; 
  v[d] = ROT( v[d] ^ v[a], 8);        
  v[c] += v[d];           
  v[b] = ROT( v[b] ^ v[c], 7);

  for( i = 0; i < 16; ++i )  m[i] = U8TO32_BIG( block + i * 4 );

  for( i = 0; i < 8; ++i )  v[i] = S->h[i];

  v[ 8] = S->s[0] ^ u256[0];
  v[ 9] = S->s[1] ^ u256[1];
  v[10] = S->s[2] ^ u256[2];
  v[11] = S->s[3] ^ u256[3];
  v[12] = u256[4];
  v[13] = u256[5];
  v[14] = u256[6];
  v[15] = u256[7];

  /* don't xor t when the block is only padding */
  if ( !S->nullt )
  {
    v[12] ^= S->t[0];
    v[13] ^= S->t[0];
    v[14] ^= S->t[1];
    v[15] ^= S->t[1];
  }

  for( i = 0; i < 14; ++i )
  {
    /* column step */
    G( 0,  4,  8, 12,  0 );
    G( 1,  5,  9, 13,  2 );
    G( 2,  6, 10, 14,  4 );
    G( 3,  7, 11, 15,  6 );
    /* diagonal step */
    G( 0,  5, 10, 15,  8 );
    G( 1,  6, 11, 12, 10 );
    G( 2,  7,  8, 13, 12 );
    G( 3,  4,  9, 14, 14 );
  }

  for( i = 0; i < 16; ++i )  S->h[i % 8] ^= v[i];

  for( i = 0; i < 8 ; ++i )  S->h[i] ^= S->s[i % 4];
}

详细实现可参考网上开源代码，BLAKE源码：https://github.com/veorq/BLAKE
四种算法对空字符串的哈希结果如下：

BLAKE-224("") =
7dc5313b1c04512a174bd6503b89607aecbee0903d40a8a569c94eed
BLAKE-256("") =
716f6e863f744b9ac22c97ec7b76ea5f5908bc5b2f67c61510bfc4751384ea7a
BLAKE-384("") =
c6cbd89c926ab525c242e6621f2f5fa73aa4afe3d9e24aed727faaadd6af38b620bdb623dd2b4788b1c8086984af8706
BLAKE-512("") =
a8cfbbd73726062df0c6864dda65defe58ef0cc52a5625090fa17601e1eecd1b628e94f396ae402a00acc9eab77b4d4c2e852aaaa25a636d80af3fc7913ef5b8

 3 BLAKE2

BLAKE2算法基于BLAKE算法，于2012年被提出，BLAKE2不再向blake round函数中对输入字添加常量，修改了两个旋转常量及padding等，并在BLAKE2b（对应BLAKE-512）中将rounds的数量由16减少为12，在BLAKE2s（对应BLAKE-256）中将rounds数量由14减少为10，同样的，BLAKE2b产生1到64字节的消息摘要，BLAKE2s产生1到32字节的消息摘要，同时这两种算法也由对应的多核并行版本BLAKE2bp（4路并行）和BLAKE2sp（8路并行）。除了以上几种算法变种，BLAKE2还有一种BLAKE2x的变种，这种算法可以产生任意长度的消息摘要，详情请参考相应文档。除了安全性方面的优势，据称BLAKE2算法在Intel CPU第六代微处理架构（Skylake）中的处理速度要优于MD5，SHA-1，SHA-2和SHA-3等算法，如图所示：

BLAKE2源码可以参考：https://github.com/BLAKE2/BLAKE2，类似的，BLAKE2对空字符串的哈希结果如下：

BLAKE2s-224("") =
1fa1291e65248b37b3433475b2a0dd63d54a11ecc4e3e034e7bc1ef4
BLAKE2s-256("") =
69217a3079908094e11121d042354a7c1f55b6482ca1a51e1b250dfd1ed0eef9
BLAKE2b-384("") =
b32811423377f52d7862286ee1a72ee540524380fda1724a6f25d7978c6fd3244a6caf0498812673c5e05ef583825100
BLAKE2b-512("") =
786a02f742015903c6c6fd852552d272912f4740e15847618a86e217f71f5419d25e1031afee585313896444934eb04b903a685b1448b755d56f701afe9be2ce

 4 应用

BLAKE系列算法被广泛应用于区块链数字货币领域，下面介绍3中典型数字货币：

1 decred
以blake256为核心哈希算法，其主页为：https://decred.org/

2 sia
以blake2b为核心哈希算法，其主页为：https://sia.tech/

3 verge
以blake2s为核心哈希算法，其主页为：https://vergecurrency.com/

至于具体哈希算法在各个币种应用细节，请参考相关钱包的源代码。

参考：

1 https://en.wikipedia.org/wiki/BLAKE_(hash_function)

2 Blake web site

3 Blake2 web site

4 https://coinguides.org/