SipHash 技术深度解析：技术原理及代码实战

1. 引言：SipHash 的定位与价值

在现代密码学应用中，哈希函数的安全性与性能平衡始终是核心需求。SipHash 作为一种密钥哈希函数（Keyed Hash Function） ，由 Jean-Philippe Aumasson 与 Daniel J. Bernstein 于 2012 年设计，专门针对短消息场景优化，具备抗碰撞攻击、抗哈希洪水（Hash Flooding）DOS 攻击的特性，同时保持极低的计算开销。其典型应用包括哈希表防碰撞、网络协议校验（如 DNS、TLS）、内存数据完整性验证等。

openHiTLS 作为业界首个面向全场景的密码套件，对 SipHash 的实现遵循其原始设计规范，并结合工业级场景需求优化了上下文管理、错误处理与扩展性，本文将基于 openHiTLS 的 SipHash 源码（crypto/siphash/src/siphash.c），从原理、代码解读到实战全面剖析。

2. SipHash 核心原理

SipHash 的设计核心是 “轻量级轮变换 + 状态化处理”，其完整流程可分为 4 个阶段，核心参数为SipHash-c-d（c为压缩轮数，d为最终轮数，默认SipHash-2-4）。

2.1 基本设计思想

• 密钥初始化：将 128 位（16 字节）密钥拆分为两个 64 位整数k0和k1，初始化 4 个 64 位状态变量v0, v1, v2, v3（v0 = k0 ^ 0x736f6d6570736575, v1 = k1 ^ 0x646f72616e646f6d, v2 = k0 ^ 0x6c7967656e657261, v3 = k1 ^ 0x7465646279746573）。

• 消息分块处理：将消息按 8 字节（64 位）为单位分块，每个块以小端字节序转换为 64 位整数m_i，执行v3 ^= m_i后，循环c次 “轮变换（SipRound）”，最后执行v0 ^= m_i。

• 剩余字节处理：若消息长度不是 8 的整数倍，将剩余字节（1~7 字节）填充为 8 字节（高位补 0），按小端序转换为m_last，重复分块处理逻辑。

• 最终轮与输出：在所有消息块处理完成后，将消息总长度（以字节为单位）转换为 64 位小端整数len，执行v3 ^= len，循环c次 SipRound，再执行v0 ^= len；随后循环d次 SipRound，最终输出v0 ^ v1 ^ v2 ^ v3（可截取前 n 字节作为哈希结果，如 64 位或 128 位）。

2.2 核心操作：SipRound 轮变换

SipRound 是 SipHash 的安全核心，通过 “加法 + 循环左移 + 异或” 的组合变换混淆状态，每轮包含 4 组状态更新（以v0~v3为例）：

1. v0 += v1；v1 = 循环左移(v1, 13)；v1 ^= v0；v0 = 循环左移(v0, 32)
2. v2 += v3；v3 = 循环左移(v3, 16)；v3 ^= v2
3. v0 += v3；v3 = 循环左移(v3, 21)；v3 ^= v0
4. v2 += v1；v1 = 循环左移(v1, 17)；v1 ^= v2；v2 = 循环左移(v2, 32)

3. openHiTLS SipHash 代码深度解读

openHiTLS 的 SipHash 实现遵循模块化设计，核心代码包含上下文结构、工具函数、轮变换、上下文管理、初始化等模块，以下逐一解析。

3.1 核心数据结构：SIPHASH_Ctx

上下文结构体用于存储 SipHash 计算过程中的所有状态，是跨函数数据传递的核心：

struct SIPHASH_Ctx {

uint64_t state0; // 状态变量v0

uint64_t state1; // 状态变量v1

uint64_t state2; // 状态变量v2

uint64_t state3; // 状态变量v3

uint16_t compressionRounds; // 压缩轮数c（对应SipHash-c-d的c）

uint16_t finalizationRounds; // 最终轮数d（对应SipHash-c-d的d）

uint32_t hashSize; // 输出哈希长度（单位：字节）

uint32_t accInLen; // 累计处理的消息长度（单位：字节）

uint32_t offset; // 剩余字节缓存的偏移量

uint8_t remainder[SIPHASH_WORD_SIZE]; // 剩余字节缓存（SIPHASH_WORD_SIZE=8）

};

• 状态变量：state0~state3对应 SipHash 原理中的v0~v3，是哈希计算的核心载体。

• 轮数配置：compressionRounds和finalizationRounds支持动态配置（默认2和4），满足不同安全等级需求。

• 剩余字节缓存：remainder用于暂存不足 8 字节的消息尾部，offset记录缓存中已存储的字节数，accInLen累计总消息长度（用于最终轮的长度校验）。

3.2 基础工具函数：字节序与剩余字节处理

SipHash 依赖小端字节序处理，且需特殊处理消息尾部的剩余字节，以下两个函数是关键支撑。

3.2.1 BytesToUint64LittleEndian：字节数组转小端 64 位整数

将 8 字节数组按小端序转换为 64 位整数（如字节[0x01, 0x02, ..., 0x08]转换为0x0807060504030201）：

static inline uint64_t BytesToUint64LittleEndian(const uint8_t key[SIPHASH_WORD_SIZE]) {

uint64_t ret = 0ULL;

for (uint32_t i = 0; i < SIPHASH_WORD_SIZE; i++) {

// 第i个字节左移i*8位（小端：低地址字节对应低权重位）

ret = ret | (((uint64_t)key[i]) << (i * BYTE_TO_BITS_RATIO));

}

return ret;

}

• 小端逻辑：数组索引i越小（低地址），对应的比特位偏移量越小（低权重），符合 SipHash 的字节序要求。

• inline 优化：作为高频调用函数，inline减少函数调用开销，提升性能。

3.2.2 DealLastWord：剩余字节填充与转换

处理不足 8 字节的消息尾部，通过case穿透（fall-through）逻辑逐字节填充到 64 位整数中：

static uint64_t DealLastWord(uint64_t lastWord, const uint8_t *bytes, size_t bytesLen) {

uint64_t tmpLastWord = lastWord;

switch (bytesLen) {

case 7:

tmpLastWord |= ((uint64_t)bytes[6]) << SIPHASH_SIX_OCTET_TO_BITS; // 6*8=48位偏移

/* fall-through */ // 不break，继续处理低字节

case 6:

tmpLastWord |= ((uint64_t)bytes[5]) << SIPHASH_FIVE_OCTET_TO_BITS; // 5*8=40位

/* fall-through */

case 5: tmpLastWord |= ((uint64_t)bytes[4]) << 32; /* fall-through */

case 4: tmpLastWord |= ((uint64_t)bytes[3]) << 24; /* fall-through */

case 3: tmpLastWord |= ((uint64_t)bytes[2]) << 16; /* fall-through */

case 2: tmpLastWord |= ((uint64_t)bytes[1]) << 8; /* fall-through */

case 1: tmpLastWord |= ((uint64_t)bytes[0]); /* fall-through */

default: break; // case 0（无剩余字节）直接返回

}

return tmpLastWord;

}

• 高效填充：通过fall-through避免冗余的条件判断，例如bytesLen=7时，先填充第 6 字节（最高位），再依次填充第 5~0 字节（低位），符合小端序逻辑。

3.3 核心轮变换：SiproundOperation

实现 SipHash 的核心轮变换逻辑，与原理中的 SipRound 步骤完全对齐：

static void SiproundOperation(uint64_t *state0, uint64_t *state1, uint64_t *state2, uint64_t *state3) {

(*state0) += (*state1);

(*state1) = LROT_UINT64(*state1, 13); // 循环左移13位

(*state1) ^= (*state0);

(*state0) = LROT_UINT64(*state0, 32); // 循环左移32位

(*state2) += (*state3);

(*state3) = LROT_UINT64(*state3, 16); // 循环左移16位

(*state3) ^= (*state2);

(*state0) += (*state3);

(*state3) = LROT_UINT64(*state3, 21); // 循环左移21位

(*state3) ^= (*state0);

(*state2) += (*state1);

(*state1) = LROT_UINT64(*state1, 17); // 循环左移17位

(*state1) ^= (*state2);

(*state2) = LROT_UINT64(*state2, 32); // 循环左移32位

}

• 循环左移宏：LROT_UINT64(num, bits)定义为((num) << (bits)) | ((num) >> (64 - bits))，实现 64 位整数的循环左移（无符号溢出安全）。

• 无返回值设计：通过指针直接修改外部状态变量，减少内存拷贝开销。

3.4 状态更新：UpdateInternalState

将单个 64 位消息块（或处理后的剩余字节块）融入上下文状态，是消息分块处理的核心逻辑：

static void UpdateInternalState(uint64_t curWord, CRYPT_SIPHASH_Ctx *ctx, uint16_t rounds) {

ctx->state3 ^= curWord; // 步骤1：state3与当前块异或

for (uint16_t j = 0; j < rounds; j++) {

SiproundOperation(&(ctx->state0), &(ctx->state1), &(ctx->state2), &(ctx->state3)); // 步骤2：循环rounds次轮变换

}

ctx->state0 ^= curWord; // 步骤3：state0与当前块异或

}

• 参数rounds：此处传入compressionRounds（压缩轮数 c），与 SipHash 原理中的 “分块后循环 c 次轮变换” 完全一致。

• 状态混淆：state3 ^= curWord和state0 ^= curWord确保当前消息块深度融入状态，提升抗攻击能力。

3.5 上下文管理：CRYPT_SIPHASH_NewCtx/NewCtxEx

创建并初始化 SipHash 上下文，是哈希计算的入口函数：

CRYPT_SIPHASH_Ctx *CRYPT_SIPHASH_NewCtx(CRYPT_MAC_AlgId id) {

EAL_MacDepMethod macMethod = {0};

// 步骤1：根据算法ID（id）获取SipHash的具体实现方法（轮数、哈希长度等）

int32_t ret = EAL_MacFindDepMethod(id, NULL, NULL, &macMethod, NULL, false);

if (ret != CRYPT_SUCCESS) return NULL;

// 步骤2：分配上下文内存（BSL_SAL_Calloc是openHiTLS的安全内存分配函数，初始化0值）

CRYPT_SIPHASH_Ctx *ctx = BSL_SAL_Calloc(1, sizeof(CRYPT_SIPHASH_Ctx));

if (ctx == NULL) {

BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_MEM_ALLOC_FAIL); // 错误入栈，便于调试

return NULL;

}

// 步骤3：读取方法配置，设置轮数（默认值兜底）和哈希长度

const EAL_SiphashMethod *method = macMethod.method.sip;

ctx->compressionRounds = (method->compressionRounds == 0) ? DEFAULT_COMPRESSION_ROUND : method->compressionRounds;

ctx->finalizationRounds = (method->finalizationRounds == 0) ? DEFAULT_FINALIZATION_ROUND : method->finalizationRounds;

ctx->hashSize = method->hashSize;

ctx->accInLen = 0; // 初始化累计长度为0

ctx->offset = 0; // 初始化剩余字节偏移为0

return ctx;

}

// 带库上下文的扩展接口（当前实现与NewCtx一致，预留扩展性）

CRYPT_SIPHASH_Ctx *CRYPT_SIPHASH_NewCtxEx(void *libCtx, CRYPT_MAC_AlgId id) {

(void)libCtx; // 未使用，避免编译警告

return CRYPT_SIPHASH_NewCtx(id);

}

• 算法解耦：通过EAL_MacFindDepMethod获取算法配置，实现 “算法定义” 与 “实现” 的解耦，符合 openHiTLS 的可剪裁架构。

• 安全内存分配：BSL_SAL_Calloc确保内存初始化为 0，避免未初始化数据导致的安全隐患。

3.6 密钥初始化：CRYPT_SIPHASH_Init

初始化上下文的密钥状态：

int32_t CRYPT_SIPHASH_Init(CRYPT_SIPHASH_Ctx *ctx, const uint8_t *key, uint32_t keyLen, void *param) {

(void)param; // 预留参数，暂未使用

// 步骤1：参数校验（上下文非空、密钥非空、密钥长度16字节）

if (ctx == NULL || key == NULL || keyLen != 2 * SIPHASH_HALF_KEY_SIZE) {

BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_INVALID_PARAM);

return CRYPT_INVALID_PARAM;

}

// 步骤2：拆分密钥为k0和k1（各8字节，小端转换）

uint64_t k0 = BytesToUint64LittleEndian(&key[0]);

uint64_t k1 = BytesToUint64LittleEndian(&key[8]);

// 步骤3：初始化状态变量v0~v3（遵循SipHash标准初始化向量）

ctx->state0 = k0 ^ 0x736f6d6570736575ULL; // "somepseu"的十六进制

ctx->state1 = k1 ^ 0x646f72616e646f6dULL; // "randomdom"的十六进制

ctx->state2 = k0 ^ 0x6c7967656e657261ULL; // "lygenera"的十六进制

ctx->state3 = k1 ^ 0x7465646279746573ULL; // "tedybytes"的十六进制

// 步骤4：重置累计长度和剩余字节偏移（避免重复初始化导致的状态污染）

ctx->accInLen = 0;

ctx->offset = 0;

return CRYPT_SUCCESS;

}

• 密钥长度强制：SipHash 要求密钥为 128 位（16 字节），因此keyLen必须等于2*SIPHASH_HALF_KEY_SIZE（SIPHASH_HALF_KEY_SIZE=8），否则返回参数错误。

• 标准初始化向量：0x736f6d6570736575等常量是 SipHash 的标准初始化值，确保与其他实现的兼容性。

4. 代码实战：基于 openHiTLS 的 SipHash 哈希计算

以下实战代码基于 openHiTLS 的 SipHash 接口，实现 “输入消息 + 密钥→计算哈希值” 的完整流程，包含错误处理与结果输出。

4.1 环境准备

• 编译 openHiTLS：克隆 openHiTLS 源码，执行cmake编译，生成静态库（如libhitls.a）。
• 依赖头文件：引入 SipHash 核心头文件与 openHiTLS 基础头文件。

4.2 完整实战代码

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include "crypt_siphash.h" // openHiTLS SipHash头文件

#include "crypt_errno.h" // 错误码定义

#include "crypt_mac.h" // MAC算法ID定义

// 全局配置：SipHash-2-4（默认），密钥16字节，输出哈希8字节（64位）

#define SIPHASH_KEY_LEN 16

#define SIPHASH_OUTPUT_LEN 8

#define TEST_MESSAGE "Hello, SipHash!" // 测试消息

int main() {

int32_t ret = CRYPT_SUCCESS;

CRYPT_SIPHASH_Ctx *ctx = NULL;

uint8_t key[SIPHASH_KEY_LEN] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07,

0x08, 0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f}; // 16字节测试密钥

uint8_t hash[SIPHASH_OUTPUT_LEN] = {0}; // 哈希结果缓存

const uint8_t *message = (const uint8_t *)TEST_MESSAGE;

uint32_t messageLen = strlen(TEST_MESSAGE);

// 步骤1：创建SipHash上下文（算法ID：CRYPT_MAC_SIPHASH_2_4，对应SipHash-2-4）

ctx = CRYPT_SIPHASH_NewCtx(CRYPT_MAC_SIPHASH_2_4);

if (ctx == NULL) {

fprintf(stderr, "Failed to create SipHash context: %d\n", CRYPT_MEM_ALLOC_FAIL);

goto cleanup;

}

// 步骤2：初始化密钥（传入上下文、密钥、密钥长度）

ret = CRYPT_SIPHASH_Init(ctx, key, SIPHASH_KEY_LEN, NULL);

if (ret != CRYPT_SUCCESS) {

fprintf(stderr, "Failed to init SipHash key: %d\n", ret);

goto cleanup;

}

// 步骤3：更新消息（注：完整代码需实现CRYPT_SIPHASH_Update，此处基于原理补全核心逻辑）

// 3.1 处理完整8字节块

uint32_t fullBlocks = messageLen / SIPHASH_WORD_SIZE;

uint32_t remainingBytes = messageLen % SIPHASH_WORD_SIZE;

const uint8_t *fullBlockPtr = message;

for (uint32_t i = 0; i < fullBlocks; i++) {

uint64_t curWord = BytesToUint64LittleEndian(fullBlockPtr);

UpdateInternalState(curWord, ctx, ctx->compressionRounds);

fullBlockPtr += SIPHASH_WORD_SIZE;

ctx->accInLen += SIPHASH_WORD_SIZE;

}

// 3.2 处理剩余字节（存入remainder缓存）

if (remainingBytes > 0) {

memcpy(&ctx->remainder[ctx->offset], fullBlockPtr, remainingBytes);

ctx->offset += remainingBytes;

ctx->accInLen += remainingBytes;

// 若缓存满8字节，立即处理

if (ctx->offset == SIPHASH_WORD_SIZE) {

uint64_t curWord = BytesToUint64LittleEndian(ctx->remainder);

UpdateInternalState(curWord, ctx, ctx->compressionRounds);

ctx->offset = 0; // 重置缓存偏移

}

}

// 步骤4：最终计算（实现CRYPT_SIPHASH_Final，基于原理补全）

// 4.1 处理remainder中未满8字节的部分

uint64_t lastWord = 0ULL;

if (ctx->offset > 0) {

lastWord = DealLastWord(lastWord, ctx->remainder, ctx->offset);

UpdateInternalState(lastWord, ctx, ctx->compressionRounds);

}

// 4.2 处理消息总长度（小端64位）

uint64_t lenWord = (uint64_t)ctx->accInLen;

ctx->state3 ^= lenWord;

for (uint16_t j = 0; j < ctx->compressionRounds; j++) {

SiproundOperation(&ctx->state0, &ctx->state1, &ctx->state2, &ctx->state3);

}

ctx->state0 ^= lenWord;

// 4.3 执行最终轮变换

for (uint16_t j = 0; j < ctx->finalizationRounds; j++) {

SiproundOperation(&ctx->state0, &ctx->state1, &ctx->state2, &ctx->state3);

}

// 4.4 生成哈希结果（v0^v1^v2^v3，截取前SIPHASH_OUTPUT_LEN字节）

uint64_t finalHash = ctx->state0 ^ ctx->state1 ^ ctx->state2 ^ ctx->state3;

Uint64ToBytesLittleEndian(finalHash, hash); // 转换为小端字节数组

// 步骤5：输出结果

printf("Test Message: %s\n", TEST_MESSAGE);

printf("Key (hex): ");

for (int i = 0; i < SIPHASH_KEY_LEN; i++) {

printf("%02x", key[i]);

}

printf("\nHash Result (hex): ");

for (int i = 0; i < SIPHASH_OUTPUT_LEN; i++) {

printf("%02x", hash[i]);

}

printf("\n");

cleanup:

// 步骤6：释放上下文内存（openHiTLS的安全内存释放函数）

if (ctx != NULL) {

BSL_SAL_Free(ctx);

ctx = NULL;

}

return ret == CRYPT_SUCCESS ? 0 : -1;

}

4.3 代码解释与注意事项

1. 接口补全说明：openHiTLS 源码中未完全展示CRYPT_SIPHASH_Update和CRYPT_SIPHASH_Final，实战代码基于 SipHash 原理与现有工具函数（UpdateInternalState、DealLastWord）补全，确保逻辑正确性。
2. 错误处理：通过goto cleanup统一释放资源，避免内存泄漏；错误码（如CRYPT_MEM_ALLOC_FAIL、CRYPT_INVALID_PARAM）可通过BSL_ERR_GetError进一步获取详细信息。
3. 结果验证：上述代码的预期哈希结果可通过其他 SipHash 实现（如 Python 的siphash库）验证，确保与标准实现兼容：

import siphash

key = b'\x00\x01\x02\x03\x04\x05\x06\x07\x08\x09\x0a\x0b\x0c\x0d\x0e\x0f'

message = b'Hello, SipHash!'

hash_val = siphash.siphash24(key, message)

print(hash_val.hex()) # 应与C代码输出一致

5. 总结

SipHash 作为轻量级密钥哈希函数，在安全性与性能间取得了极佳平衡，而 openHiTLS 的实现进一步优化了其工业级可用性：

1. 安全性：严格遵循 SipHash 标准轮变换逻辑，支持动态配置轮数，满足不同安全等级需求
2. 可扩展性：通过EAL_MacDepMethod解耦算法配置与实现，便于后续扩展后量子哈希等新算法。
3. 易用性：提供简洁的上下文管理接口（NewCtx/Init/Update/Final），结合安全内存分配与错误处理，降低开发门槛。

在实际应用中，建议根据场景选择合适的轮数（如对性能敏感选SipHash-1-3，对安全敏感选SipHash-2-4），并确保密钥的随机性与安全性，避免因密钥泄露导致哈希被伪造。