最近在看 PQC (後量子密碼學) 的 ML SDA 當中有用到 SHA3 , 小有所感趁機紀錄以下的內容根據 FIPS 官方資料 (https://csrc.nist.gov/pubs/fips/202/final)進行閱讀後的整理
前言
在資訊安全領域裡，「雜湊函數（Hash Function）」是一個基礎但極其重要的工具。它能夠將任何長度的輸入訊息，轉換成固定長度的輸出（稱為訊息摘要）。這個摘要具有以下特性：
- 不可逆：幾乎不可能從輸出反推出原始輸入。
- 抗碰撞：不同的輸入幾乎不會產生相同的輸出。
- 固定長度：無論輸入多大，輸出長度固定。
這些特性，讓 Hash 被廣泛應用於：
- 驗證資料完整性（檔案驗證、下載檢查碼）。
- 數位簽章與驗證。
- 密碼學基礎建構（例如 HMAC、隨機數產生器）。
在過去幾十年，SHA（Secure Hash Algorithm, 安全雜湊演算法）系列成為最常用的雜湊家族。從 SHA-0、SHA-1 到 SHA-2，逐步守護著資訊安全。然而，隨著計算能力提升以及演算法分析技術進步，舊有的雜湊標準逐漸顯現弱點。這也引出了今天的主角：SHA-3。
SHA 的歷史
- SHA-0（1993 年）
- 第一版安全雜湊演算法，由美國國家安全局（NSA）設計並發表。
- 由於存在安全弱點，很快就被棄用。
- SHA-1（1995 年）
- 改良後的版本，輸出長度為 160 位元。
- 曾廣泛應用在 SSL、數位簽章、檔案驗證等場景。
- 但隨著 2017 年 Google 公布實際碰撞攻擊實例，SHA-1 正式被視為不再安全。
- SHA-2（2001 年）
- 包含多個版本：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512。
- 輸出長度更長，設計更安全，目前仍被廣泛使用。
- 但其設計仍是基於 Merkle–Damgård 結構，若未來計算能力大幅提升，潛在風險依舊存在。
- SHA-3（2015 年，正式標準化）
- 由 Keccak 演算法在 NIST（美國國家標準技術研究院）舉辦的雜湊演算法競賽中勝出。
- 最大的不同是：架構完全不同。SHA-3 基於 Sponge 結構，而不是傳統的 Merkle–Damgård。
- 這使得 SHA-3 在安全性與彈性上具備不同優勢，也能衍生出 SHAKE（可延伸輸出長度的雜湊函數）。