ISOIEC 10118-12016Amd 12021 海绵函数的填充方法标准立项发展报告

*海绵函数的填充方法标准立项发展报告EnglishTitle:StandardizationDevelopmentReport:Informationtechnology—Securitytechniques—Hash-functions—Part1:General—Amendment1:Paddingmethodsforspongefunctions摘要本报告围绕国际标准ISO/IEC10118-1:2016/Amd1:2021《信息技术安全技术哈希函数第1部分：总则修订1：海绵函数的填充方法》的立项与发展展开深入研究。该标准修订旨在应对当前密码学领域，特别是哈希函数设计中日益增长的海绵结构应用需求。随着量子计算威胁的逼近以及对轻量级密码方案需求的激增，传统哈希函数的设计范式正面临根本性挑战。本报告首先阐述了标准修订的背景，即全球标准化组织对新型密码原语的迫切需求，以及现有总则标准对海绵函数（SpongeFunctions）特有填充机制指导不足的现状。报告核心内容聚焦于标准修订的关键技术点，包括：明确海绵函数的通用安全模型、定义其独特的填充规则（PaddingRule），以区别于传统的Merkle-Damgård结构，并确保其在不同安全等级下的抗碰撞性与抗原像性。报告深入分析了该标准修订对密码学产业，特别是区块链、数字签名及后量子密码学领域的深远影响。重要结论表明，本次修订不仅是对现有标准体系的必要补充，更是推动哈希函数技术从理论走向工程化、标准化应用的关键一步。它解决了因填充规则不统一导致的应用互操作性问题，为全球信息安全产品开发提供了权威、统一的技术规范。展望未来，本标准将成为构建新一代安全信息系统的基础性支撑文件。关键词海绵函数；哈希函数；填充方法；密码学；国际标准；ISO/IEC10118；信息安全Keywords:SpongeFunctions;Hash-functions;PaddingMethods;Cryptography;InternationalStandards;ISO/IEC10118;InformationSecurity正文一、引言：标准修订背景与动因在信息技术飞速发展的今天，密码学作为保障数据机密性、完整性和认证性的核心技术，其标准化工作始终是全球信息安全的基石。哈希函数（HashFunctions），作为一种能将任意长度消息映射为固定长度摘要的单向函数，是数字签名、消息认证码、区块链及随机数生成等众多安全应用的支柱。ISO/IEC10118系列标准正是对这些安全哈希函数进行国际标准化的重要文件，其中第1部分为总则，定义了哈希函数的基本模型、安全需求及通用术语。本报告所涉标准为ISO/IEC10118-1:2016/Amd1:2021，即对该标准总则部分的第一次修订。此次修订的核心理因，源于密码学领域一个革命性的设计范式——海绵结构（SpongeConstruction）的日益成熟与广泛应用。与传统基于Merkle-Damgård结构的哈希函数（如SHA-1、SHA-2系列）不同，海绵结构以其灵活的“吸收-挤压”双阶段操作，能够同时实现哈希、加密和认证等多种功能，展现出极高的灵活性与效率，特别适用于约束环境下的轻量级应用。然而，ISO/IEC10118-1:2016的原始版本主要针对Merkle-Damgård结构及其衍生变体进行规范，对海绵函数这一新型构造缺乏明确的定义和统一的填充方法指导。填充（Padding）作为哈希函数处理流程的起始步骤，其规则决定了消息如何处理成固定长度的块，直接影响到最终哈希值的正确性和安全性。海绵函数独特的迭代模式和输出长度要求，使其填充规则与传统方法截然不同。因此，为适应技术进步、填补标准空白、确保不同实现之间的互操作性，ISO/IECJTC1/SC27（信息技术安全技术分委员会）启动了本次修订工作。二、标准修订的核心技术内容本次修订（Amendment1）虽然在形式上为对ISO/IEC10118-1:2016的增补，但其内容对海绵函数在标准化框架内的应用具有奠基性意义。核心内容可归纳为以下几个方面：1.明确“海绵函数”的定义与安全模型修订案在现有术语和定义基础上，增加了对“海绵函数”的严格形式化定义。它明确了海绵函数是一个基于固定长度内部状态（State）和可扩展输出长度（XOF，eXtendable-OutputFunction）特性的函数族。其工作流程被清晰地划分为“吸收阶段”（AbsorbingPhase）和“挤压阶段”（SqueezingPhase）。同时，修订案引入了针对海绵结构的安全模型，包括对抵抗碰撞攻击、原像攻击及二次原像攻击的能力分析。2.规定海绵函数的填充规则这是本次修订最核心的技术贡献。修订案针对海绵结构，规定了一种通用的填充规则，即著名的“10*1”（也称为“multi-ratepadding”）。具体规则为：在消息比特流后附加一个“1”比特，然后是若干个“0”比特（个数可为零），最后再附加一个“1”比特。这种填充规则的数学意义在于保证了填充后的消息长度总是原始消息的倍数，并且确保原始消息与填充后的消息之间存在一一对应关系，从而避免了安全性漏洞。更重要的是，该规则与海绵函数的状态大小（StateSize）和比特率（Bitrate）参数紧密耦合，确保了填充过程与核心变换的完美对齐。3.扩展哈希函数的通用模型原总则标准中定义的哈希函数模型主要围绕固定长度输出的函数（如SHA-256）。修订案将这一模型进行了扩展，以包容可变长度输出的XOF功能。这标志着ISO/IEC10118系列正式承认并支持了如SHA-3、SHAKE128、SHAKE256等基于海绵结构的新型哈希函数。修订案明确了XOF函数作为哈希函数合法子集的地位，并对其输出安全性、伪随机性等属性提出了要求。三、标准修订的参与单位与组织介绍本标准的修订由国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）联合技术委员会第1分委员会第27工作组（ISO/IECJTC1/SC27/WG2）主导。该工作组汇聚了全球顶尖的密码学专家、安全工程师和产业代表，是信息安全领域最权威的技术委员会之一。在众多参与单位中，美国国家标准与技术研究院（NIST）在推动本次修订过程中扮演了至关重要的角色。NIST作为美国联邦政府的非监管机构，其核心使命之一是“促进测量科学、标准和技术的发展，以增强经济安全并改善我们的生活质量”。在密码学领域，NIST长期领导世界级标准制定工作，最著名的成就是组织并推动了SHA-3哈希函数标准的全球遴选。NIST对本次修订的贡献主要体现在以下几个方面：*技术引擎：NIST在2015年发布了SHA-3标准（FIPS202），这是第一个基于海绵结构的联邦信息处理标准。FIPS202中定义了SPONGE函数及其填充规则“10*1”。ISO/IEC10118-1的本次修订，很大程度上就是将NIST的这一成熟技术成果转化为国际标准的正式附件。NIST的专家深度参与了WG2的技术讨论，提供了完整的技术论证和安全性证明。*测试与验证：NIST提供了维护和更新其密码算法验证计划（CAVP）所需的测试向量。这些测试向量是验证不同实现是否符合ISO/IEC10118-1:2016/Amd1:2021规定填充规则的唯一标准。其开源的通用哈希函数验证工具（如ACVP）为标准的全球一致性测试奠定了基础。*引领产业应用：NIST不仅在技术标准上领先，更推动了其在联邦政府信息系统和商业领域的广泛应用。通过其主导的后量子密码学项目，NIST正在将海绵结构应用于新一代抗量子攻击的公钥加密和数字签名方案。本次修订标准的落地，为这些前沿技术的标准化铺平了道路，确保了从现有哈希函数到未来后量子密码学的平滑过渡。此外，来自欧洲特别是德国、法国的研究机构（如德国联邦信息安全办公室(BSI)），以及日本、中国、韩国的产业界代表（如芯片制造商、安全方案提供商）也在WG2中贡献了大量意见，特别是在异构平台上的实现效率和嵌入式安全方面，确保了标准的全球适用性和技术可行性。四、标准应用价值与影响分析ISO/IEC10118-1:2016/Amd1:2021的发布，其影响远超单纯的文本修订，对当前和未来的信息安全生态产生了深远影响。1.促进新技术采纳：该标准为SHA-3、SHAKE128/256等基于海绵结构的高性能哈希函数提供了正式的法律地位和官方指导。这极大降低了企业在产品固件、软件库或硬件IP中集成这些新算法的法律风险和适配成本。过去依赖于SHA-2的行业，如VPN、HTTPS、电子邮件安全（S/MIME），现在有了更安全、更灵活的新选择。2.解决互操作性问题：在没有统一标准之前，不同厂商对海绵函数填充规则的理解和实现可能存在差异。例如，在某些轻量级物联网协议中，若填充规则不统一，两个设备将无法产生相同的哈希值，导致通信失败或认证错误。本标准的发布从顶层解决了这一困扰产业多年的碎片化问题，确保了全球范围内基于海绵结构的实现能够无缝对接。3.赋能新兴领域：*区块链：许多现代区块链网络（如以太坊）已经转向使用支持XOF的哈希函数（如Keccak-256，它是海绵函数的早期实现）。本次修订明确了填充规则，为区块链底层的共识算法、智能合约执行环境提供了更坚实的安全基础。*后量子密码学：NIST正在标准化的首批后量子签名方案（如CRYSTALS-Dilithium、FALCON）和密钥封装机制（如CRYSTALS-KYBER）中，广泛使用海绵结构或SHA-3作为内部组件。ISO/IEC10118-1的本次修订，是确保这些后量子标准可行、互操作、且能被全球监管机构接受的前提。*隐私保护计算：在多参与方安全计算、零知识证明等前沿技术中，都需要使用到可扩展输出函数（XOF）来生成随机数或构建承诺。本标准为这些技术的标准化提供了基础性支撑。结论ISO/IEC10118-1:2016/Amd1:2021《信息技术安全技术哈希函数第1部分：总则修订1：海绵函数的填充方法》的正式发布，是国际密码标准化进程中的一个重要里程碑。它不仅及时响应了技术发展的内在需求，解决了传统哈希函数标准对海绵结构这一革命性设计范式的缺失，更通过精确、严谨的定义和填充规则，为全球信息安全产业提供了一份清晰、普适、可执行的技术蓝图。从短期来看，本标准将显著加快SHA-3系列等