セキュアハッシュアルゴリズム（SHA）の仕組みを徹底解説

セキュアハッシュアルゴリズム（SHA）とは

セキュアハッシュアルゴリズム（Secure Hash Algorithm：SHA）は、アメリカ国家安全保障局（NSA）によって開発され、1993年に米国国立標準技術研究所（NIST）を通じて、米国連邦情報処理標準（FIPS PUB 180）として公開されたハッシュ関数です。

SHAはMD4アルゴリズムと共通する構成要素をベースとしており、両者には多くの類似点があります。ただしSHAの設計では、圧縮関数への入力である16ワードのメッセージブロックを80ワードのブロックへ拡張するなど、独自の新しいプロセスが導入されている点が特徴です。

SHAの処理の流れ

SHAによるメッセージの処理は、以下の5つのステップで構成されています。

ステップ1：パディングビットの追加

元のメッセージに対してパディング（埋め込み）を行い、メッセージ長が「512で割った余りが448」となるように調整します。ここで重要なのは、メッセージがすでに目的の長さを満たしていても、必ずパディングを挿入するという点です。パディングの内容は、先頭に1ビットの「1」を付け、その後に必要な数だけ「0」のビットを連ねたものです。

ステップ2：長さ情報の追加

続いて、元のメッセージの長さ（ステップ1のパディング前の長さ）を表す64ビットのブロックをメッセージ末尾に付加します。この64ビット値は符号なし64ビット整数として扱われ、最上位バイトが先頭に来る形式で格納されます。この処理により、最終的なメッセージ全体の長さは512ビットの倍数になります。

ステップ3：バッファの初期化

バッファは、32ビット幅のレジスタ5つ（A、B、C、D、E）で構成される計160ビットの領域です。このバッファは、圧縮関数の中間結果および最終結果を保持するために使用されます。5つのレジスタは、以下の32ビット整数（16進表記）で初期化されます。

A = 67 45 23 01
B = ef cd ab 89
C = 98 ba dc fe
D = 10 32 54 76
E = c3 d2 e1 f0

レジスタA〜Dの初期値は、実はMD5アルゴリズムで使われる4つのレジスタと同一です。ただしSHA-1では、これらの値がビッグエンディアン形式で保存される点が異なります。ビッグエンディアンとは、ワードの最上位バイトが低いアドレス側のバイト位置に配置される方式を指します。

ステップ4：512ビットブロック単位でのメッセージ処理

メッセージ本体の処理は、圧縮関数によって行われます。圧縮関数は合計80の逐次ステップから成り、これは「20ステップ×4ラウンド」の構造になっています。

4つのラウンドは互いに構造的に同一ですが、唯一の違いとして、各ラウンドごとに異なるブール関数（f1、f2、f3、f4）と、処理対象のステップ番号t（0 ≤ t ≤ 79）に応じて選択される4種類の加算定数Ktのうちの1つを使用します。

ステップ5：出力（メッセージダイジェストの生成）

最後の512ビットメッセージブロック（メッセージがt個の512ビットブロックに分割されている場合、t番目のブロック）まで処理が完了すると、160ビット長のメッセージダイジェストが出力されます。これがSHAによるハッシュ値となります。

まとめ

SHAは「パディング → 長さ付与 → バッファ初期化 → ブロック処理 → ダイジェスト出力」という明確な手順で動作するハッシュ関数です。MD4やMD5との関連性を持ちながらも、80ワードへの拡張や160ビットの出力といった設計上の工夫により、より強固なセキュリティを実現しています。デジタル署名やデータ整合性検証など、現代の情報セキュリティにおける基盤技術の一つとして広く活用されてきました。