Sha2

0. FileVault context¶

FileVault sử dụng SHA-256 làm hàm băm mặc định cho integrity checks và HMAC.
Mục tiêu: bảo toàn tính toàn vẹn metadata, kiểm tra file gốc sau giải mã, và làm primitive cho HMAC-SHA256.

1. Khái niệm thuật toán — giải quyết vấn đề gì, bảo vệ cái gì¶

SHA-2 là họ hàm băm mật mã (SHA-224/256/384/512) sinh ra digest cố định từ dữ liệu tùy chiều.
Giải quyết: phát hiện sửa đổi dữ liệu (integrity) và làm cơ sở cho MAC/signature.
Bảo vệ: chống sửa đổi dữ liệu (tamper detection), làm cơ sở cho xác thực và liên kết an toàn.

2. Toán học, công thức¶

3. Cách hoạt động (tóm tắt bước)¶

Pre-processing: padding và chia block 512-bit.
Khởi tạo vector trạng thái H0 (8 từ 32-bit cố định).
Với mỗi block:
- Mở rộng 16 từ thành 64 từ w[0..63].
- Khởi tạo a..h = H_i.
- Lặp t=0..63: T1 = h + Σ1(e) + Ch(e,f,g) + K[t] + w[t]; T2 = Σ0(a) + Maj(a,b,c); h=g; g=f; f=e; e=d+T1; d=c; c=b; b=a; a=T1+T2.
- H_i+1 = H_i + (a..h).
Kết quả là H_final = concat(H0..H7).

4. Cấu trúc dữ liệu¶

Input block: 512-bit chia thành 16 từ 32-bit.
State: 8 từ 32-bit (SHA-256) hoặc 16 từ 32-bit (SHA-512 uses 64-bit words).
Bảng hằng K[0..63] (32-bit constants).

5. So sánh với các thuật toán khác¶

SHA-1: SHA-256 mạnh hơn, kháng collision tốt hơn.
SHA-3: khác thiết kế (sponge), SHA-3 không phải replacement trực tiếp; SHA-2 vẫn an toàn và nhanh trên HW/SW hiện có.
BLAKE2/BLAKE3: thường nhanh hơn và có tính năng configurable, nhưng SHA-2 phổ biến và tiêu chuẩn.

6. Luồng hoạt động (Mermaid)¶

flowchart LR
    A[Input message] --> B[Padding]
    B --> C[Split into 512-bit blocks]
    C --> D[Initialize H0..H7]
    D --> E[For each block]
    E --> F["Message schedule w[0..63]"]
    F --> G["64 rounds (compress)"]
    G --> H[Update H]
    H --> I[Final digest]

Hold "Alt" / "Option" to enable pan & zoom

7. Các sai lầm triển khai phổ biến¶

Sai padding (không thêm length hoặc thêm sai endian).
Xử lý bit-length vượt 2^64 cho SHA-256.
Sử dụng kiểu dữ liệu không modulo 2^32 (overflow handling).
Lưu trữ hằng sai endian khi serialize/deserialize.
Sử dụng SHA-256 trực tiếp cho password hashing (không dùng salt hoặc KDF).
Reuse key trực tiếp cho HMAC mà không theo chuẩn (sai khóa dài/short).

8. Threat Model¶

Kẻ tấn công: muốn giả mạo file hoặc metadata mà FileVault dùng để verify.
Khả năng: thay đổi file, thâm nhập vào metadata, replay.
Mục tiêu tấn công: gây collision hay preimage để vượt kiểm tra integrity hoặc HMAC.

9. Biện pháp giảm thiểu¶

Dùng HMAC-SHA256 cho integrity/authentication, không chỉ hash thô.
Kiểm tra và bảo vệ metadata (signature hoặc AEAD).
Thực hiện padding/endianness đúng chuẩn.
Dùng KDF (PBKDF2/Argon2) cho password-derived keys.
Bảo vệ khóa HMAC, khóa signing bằng kho khóa và ACL.
Log và detect bất thường (tampering attempts).

10. Test Vectors¶

SHA-256("")
- hex: e3b0c44298fc1c149afbf4c8996fb92427ae41e4649b934ca495991b7852b855
SHA-256("abc")
- hex: ba7816bf8f01cfea414140de5dae2223b00361a396177a9cb410ff61f20015ad
SHA-256("The quick brown fox jumps over the lazy dog")
- hex: d7a8fbb307d7809469ca9abcb0082e4f8d5651e46d3cdb762d02d0bf37c9e592

11. Code (ví dụ nhanh — Python hashlib)¶

Python
import hashlib

def sha256_hex(data: bytes) -> str:
        return hashlib.sha256(data).hexdigest()

# examples
print(sha256_hex(b""))        # e3b0c4...
print(sha256_hex(b"abc"))     # ba7816...

12. Checklist bảo mật (FileVault-specific)¶

Dùng HMAC-SHA256 để bảo vệ metadata, không chỉ hash.
Bảo vệ và rotate keys theo chính sách.
Kiểm tra padding và endian khi serialize metadata.
Dùng KDF phù hợp cho mật khẩu (Argon2/PBKDF2) trước làm key HMAC.
Thực hiện test vector checks trong pipeline CI.
Audit thư viện crypto (upstream, CVEs).
Log failed integrity checks và giới hạn retry.

Nguồn tham khảo¶

FIPS PUB 180-4 (SHA-2) — NIST
RFC 6234 (US Secure Hash Algorithms)
RFC 2104 (HMAC)