简介

海绵函数 sponge function 是密码学中使用的一种函数，它接收一定长度的输入，然后输出一定长度的输出，中间包含了有限个内部状态。

因为海绵函数的强大功能，所以可以用来建模和实现许多密码原语，包括密码散列，消息身份验证码，生成掩码，流密码，伪随机数生成器等。

本文将会讲解海绵函数的结构。

海绵函数的结构

我们先看一个海绵函数的结构图：

这个函数被分成了两部分，左边部分叫做吸收部分，右边部分叫做输出部分，一吸一出，像是海绵一样，所以叫做海绵函数。

P 表示的是输入的字符串，Z 表示的时候输出字符串。

一个海绵函数由三部分组成，分别是 state, 函数 f 和填充函数 pad。

state 就是上图的 r+c 部分，r 被称为 Bitrate， c 被称为 Capacity。

P 被分成 n 份，每一份都会跟 Bitrate 进行异或操作，如果 P 的长度不是 Bitrate 的整数倍，那么需要使用 Pad 函数进行填充。

每一轮，Bitrate 跟 P 进行异或操作的结果作为最新的 Bitrate, 然后生成新的 state，然后这个 state 又被 f(state)来替换。

其中函数 f 是 从 n 个{0,1} 到 n 个{0,1}的映射。

就这样一轮一轮进行下去，直到所有的 P 都参与了运算。

输出部分是将最终生成的 state 进行 f 运算，每次运算都取 Bitrate 部分作为输出，从而得到最终的输出。

海绵函数的应用

因为海绵函数的优秀的特性，所以被用在很多方面。比如 SHA-3 的实现算法 Keccak 就是使用的海绵函数。

通过替换 f 和多轮置换，海绵函数可以生成非常安全的密码算法，所以得到了广泛的使用。

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