[Rust] SHA-512の実装

28日 の続きで SHA-2 から SHA-512 を実装しました. padding において入力データのクローンが発生していたのを, そうしなくていいように改善しました. なお, もとの 仕様 は入力データのサイズが 2¹²⁸ bit 未満であることを許していますが, usize が 64 bit (ないし 32 bit) であるため, 2⁶⁴ bit (ないし 2³² bit) 未満であるものとしています.

fn rotr<const N: u64>(x: u64) -> u64 {
    (x >> N) | (x << (u64::BITS as u64 - N))
}

fn shr<const N: u64>(x: u64) -> u64 { x >> N }

fn ch(x: u64, y: u64, z: u64) -> u64 { (x & y)^((!x) & z ) }
fn maj(x: u64, y: u64, z: u64) -> u64 { (x & y)^(x & z)^(y & z) }
fn sigma0(x: u64) -> u64 { rotr::<28>(x) ^ rotr::<34>(x) ^ rotr::<39>(x) }
fn sigma1(x: u64) -> u64 { rotr::<14>(x) ^ rotr::<18>(x) ^ rotr::<41>(x) }
fn s0(x: u64) -> u64 { rotr::< 1>(x) ^ rotr::< 8>(x) ^ shr::<7>(x) }
fn s1(x: u64) -> u64 { rotr::<19>(x) ^ rotr::<61>(x) ^ shr::<6>(x) }

fn sum(x: &[u64]) -> u64 {
    x.iter()
        .fold(0, |acc, x| u64::wrapping_add(acc, *x))
}

const K: [u64; 80] = [ 
    0x428a2f98d728ae22, 0x7137449123ef65cd, 0xb5c0fbcfec4d3b2f, 0xe9b5dba58189dbbc,
    0x3956c25bf348b538, 0x59f111f1b605d019, 0x923f82a4af194f9b, 0xab1c5ed5da6d8118,
    0xd807aa98a3030242, 0x12835b0145706fbe, 0x243185be4ee4b28c, 0x550c7dc3d5ffb4e2,
    0x72be5d74f27b896f, 0x80deb1fe3b1696b1, 0x9bdc06a725c71235, 0xc19bf174cf692694,
    0xe49b69c19ef14ad2, 0xefbe4786384f25e3, 0x0fc19dc68b8cd5b5, 0x240ca1cc77ac9c65,
    0x2de92c6f592b0275, 0x4a7484aa6ea6e483, 0x5cb0a9dcbd41fbd4, 0x76f988da831153b5,
    0x983e5152ee66dfab, 0xa831c66d2db43210, 0xb00327c898fb213f, 0xbf597fc7beef0ee4,
    0xc6e00bf33da88fc2, 0xd5a79147930aa725, 0x06ca6351e003826f, 0x142929670a0e6e70,
    0x27b70a8546d22ffc, 0x2e1b21385c26c926, 0x4d2c6dfc5ac42aed, 0x53380d139d95b3df,
    0x650a73548baf63de, 0x766a0abb3c77b2a8, 0x81c2c92e47edaee6, 0x92722c851482353b,
    0xa2bfe8a14cf10364, 0xa81a664bbc423001, 0xc24b8b70d0f89791, 0xc76c51a30654be30,
    0xd192e819d6ef5218, 0xd69906245565a910, 0xf40e35855771202a, 0x106aa07032bbd1b8,
    0x19a4c116b8d2d0c8, 0x1e376c085141ab53, 0x2748774cdf8eeb99, 0x34b0bcb5e19b48a8,
    0x391c0cb3c5c95a63, 0x4ed8aa4ae3418acb, 0x5b9cca4f7763e373, 0x682e6ff3d6b2b8a3,
    0x748f82ee5defb2fc, 0x78a5636f43172f60, 0x84c87814a1f0ab72, 0x8cc702081a6439ec,
    0x90befffa23631e28, 0xa4506cebde82bde9, 0xbef9a3f7b2c67915, 0xc67178f2e372532b,
    0xca273eceea26619c, 0xd186b8c721c0c207, 0xeada7dd6cde0eb1e, 0xf57d4f7fee6ed178,
    0x06f067aa72176fba, 0x0a637dc5a2c898a6, 0x113f9804bef90dae, 0x1b710b35131c471b,
    0x28db77f523047d84, 0x32caab7b40c72493, 0x3c9ebe0a15c9bebc, 0x431d67c49c100d4c,
    0x4cc5d4becb3e42b6, 0x597f299cfc657e2a, 0x5fcb6fab3ad6faec, 0x6c44198c4a475817,
];


fn padding(message: &[u8]) -> Vec<u8> {
    let l_in_byte = message.len();
    let k = (239 - (l_in_byte & 127)) & 127;
    
    let mut pad: Vec<u8> = Vec::with_capacity(1+k+8+8);
    pad.push(128);
    for _ in 0..(k+8) { pad.push(0); }
    pad.extend(
        ((l_in_byte as u64) << 3).to_be_bytes()
    );

    pad
}

fn set_message_schedule(msg: &[u8], w: &mut [u64]) {
    for t in 0..16 {
        w[t] = u64::from_be_bytes(msg[8*t..8*(t+1)].try_into().unwrap());
    }
    for t in 16..80 {
        w[t] = sum(&[s1(w[t-2]), w[t-7], s0(w[t-15]), w[t-16]]);
    }
}


fn sha512_core(msg: &[u8], w: &mut [u64], hash: &mut [u64; 8]) {
    set_message_schedule(&msg, w);
    let [mut a, mut b, mut c, mut d, mut e, mut f, mut g, mut h] = hash;

    for t in 0..80 {
        let tmp1 = sum(&[ h, sigma1(e), ch(e, f, g), K[t], w[t] ]);
        let tmp2 = sum(&[ sigma0(a), maj(a, b, c) ]);
        h = g;
        g = f;
        f = e;
        e = d.wrapping_add(tmp1);
        d = c;
        c = b;
        b = a;
        a = tmp1.wrapping_add(tmp2);
    }

    hash[0] = hash[0].wrapping_add(a);
    hash[1] = hash[1].wrapping_add(b);
    hash[2] = hash[2].wrapping_add(c);
    hash[3] = hash[3].wrapping_add(d);
    hash[4] = hash[4].wrapping_add(e);
    hash[5] = hash[5].wrapping_add(f);
    hash[6] = hash[6].wrapping_add(g);
    hash[7] = hash[7].wrapping_add(h);
}



pub fn sha512(message: &[u8]) -> [u8; 64] {
    // padding を生成
    let pad = padding(message);

    // ハッシュの初期化
    let mut hash: [u64; 8] = [
        0x6a09e667f3bcc908, 0xbb67ae8584caa73b, 0x3c6ef372fe94f82b, 0xa54ff53a5f1d36f1,
        0x510e527fade682d1, 0x9b05688c2b3e6c1f, 0x1f83d9abfb41bd6b, 0x5be0cd19137e2179,
    ];
    let mut w: Vec<u64> = vec![ 0; 80 ];

    // メインループ (本文)
    let mut message = message.chunks_exact(128);
    while let Some(msg) = message.next() {
        sha512_core(&msg, &mut w, &mut hash);
    }

    // メインループ (本文の余り+余白)
    for msg in {
        let mut rem = Vec::with_capacity(1024);
        rem.extend(message.remainder());
        rem.extend(pad);
        rem
    }.chunks(128) {
        sha512_core(&msg, &mut w, &mut hash);
    }
    
    // `[u64; 8]` を `[u8; 64]` へ変換
    hash.iter()
        .fold(vec![], |mut v, h| {
            v.extend(h.to_be_bytes()); v
        })
        .try_into().unwrap()
}