Was ist SHA-3?

SHA-3 (Secure Hash Algorithm 3) ist das neueste Mitglied der Secure-Hash-Algorithmus-Familie, veröffentlicht von NIST im Jahr 2015. Im Gegensatz zu SHA-2, das auf der Merkle-Damgård-Konstruktion basiert, verwendet SHA-3 ein grundlegend anderes Design, das als Schwammkonstruktion (Sponge Construction) bezeichnet wird. Dieser Unterschied macht SHA-3 resistent gegen Längenerweiterungsangriffe und verleiht ihm einen sauberen Sicherheitsbeweis.

Der ursprünglich als Keccak (ausgesprochen "ketschak") bezeichnete Algorithmus gewann 2012 nach einem fünfjährigen öffentlichen Evaluierungsprozess den NIST-Hash-Funktionswettbewerb. NIST standardisierte vier feste Hash-Längen — SHA3-224, SHA3-256, SHA3-384 und SHA3-512 — plus zwei erweiterbare Ausgabefunktionen (XOFs): SHAKE128 und SHAKE256.

Ein kurzer Blick auf die Geschichte von SHA-3

SHA-2 wurde 2001 veröffentlicht und ist bis heute nicht gebrochen. Warum veranstaltete NIST dennoch einen Wettbewerb für eine völlig neue Hash-Funktion? Die Antwort ist defensiv: SHA-2 teilt die Merkle-Damgård-Konstruktion mit MD5 und SHA-1, die beide irgendwann gebrochen wurden. NIST wollte eine Alternative mit einer grundlegend anderen internen Struktur, damit eine künftige Schwäche der einen Familie nicht automatisch die andere betrifft.

Keccak, entworfen von Guido Bertoni, Joan Daemen, Michaël Peeters und Gilles Van Assche, wurde im Oktober 2012 ausgewählt und im August 2015 als FIPS PUB 202 standardisiert.

Wie SHA-3 funktioniert

Die Schwammkonstruktion

SHA-3 absorbiert Eingaben in Blöcken fester Größe und "presst" anschließend den Digest heraus. Intern ist der Zustand in eine Rate (der Teil, der Daten liest und schreibt) und eine Kapazität (der geheim gehaltene Teil) aufgeteilt. Für SHA3-256 beträgt die Rate 1088 Bit und die Kapazität 512 Bit; die Kapazität bestimmt das Sicherheitsniveau (Kapazität ÷ 2).

Die Keccak-f-Permutation

Der interne Zustand ist ein 5×5-Raster aus 64-Bit-Spuren — insgesamt 1600 Bit. Eine Permutation namens Keccak-f[1600] wird wiederholt angewendet (24 Runden), um den Zustand zu mischen. Jede Runde nutzt fünf einfache Schritte (θ, ρ, π, χ, ι), die in Hardware günstig und für Kryptoanalytiker leicht zu bewerten sind.

Wichtige Eigenschaften

• Nicht anfällig für Längenerweiterungsangriffe, die SHA-2 betreffen
• Abgesichert durch eine Sicherheitsreduktion für die Schwammkonstruktion
• Hervorragende Leistung in Hardware, konkurrenzfähig in Software
• XOF-Varianten (SHAKE) erzeugen Ausgaben beliebiger Länge

SHA-3 vs SHA-2

Keiner ist absolut "besser": SHA-2 ist in Software schneller und seit Jahrzehnten im Einsatz, während SHA-3 eine sauberere Sicherheitsmarge und ein anderes Fehlermodell besitzt. Die meisten Systeme sollten weiterhin SHA-2 verwenden und SHA-3 als gut unterstützte Alternative behandeln, nicht als dringenden Ersatz.

SHA-3 vs SHA-2 vs BLAKE2

BLAKE2 (und der Nachfolger BLAKE3) gehören nicht zum NIST-Standard, sind aber beliebt, weil sie in Software sehr schnell sind.

Wenn Ihre Umgebung bereits auf NIST-Algorithmen standardisiert ist, ist SHA-3 die natürliche Alternative. Wenn der reine Durchsatz zählt und Nicht-NIST-Hashes akzeptabel sind, lohnt ein Benchmark von BLAKE2/BLAKE3.

Feste Hash-Längen und SHAKE

Die vier festen Ausgaben verhalten sich aus Sicht des Aufrufers wie SHA-2:

SHA3-224 → 28 Bytes
SHA3-256 → 32 Bytes
SHA3-384 → 48 Bytes
SHA3-512 → 64 Bytes

SHAKE128 und SHAKE256 sind erweiterbare Ausgabefunktionen: Statt eines festen Digests fordern Sie so viele Bytes an, wie Sie benötigen. Das macht sie nützlich für:

• Ableiten kryptografischer Schlüssel beliebiger Länge aus einem Seed
• Aufbau von Stromchiffren und deterministischen Zufallsgeneratoren
• Domänentrennung über den Anpassungsstring des XOF

Code-Beispiele

// PHP
echo hash('sha3-256', 'hello');   // 32-Byte-Hex-Digest
echo hash('sha3-512', 'hello');   // 64-Byte-Hex-Digest

import hashlib

print(hashlib.sha3_256(b'hello').hexdigest())
print(hashlib.sha3_512(b'hello').hexdigest())

# SHAKE (erweiterbare Ausgabe)
print(hashlib.shake_128(b'hello').hexdigest(16))  # 16 Bytes Ausgabe
print(hashlib.shake_256(b'hello').hexdigest(32))  # 32 Bytes Ausgabe

// Node.js
const crypto = require('crypto');
console.log(crypto.createHash('sha3-256').update('hello').digest('hex'));
console.log(crypto.createHash('sha3-512').update('hello').digest('hex'));

# OpenSSL CLI
printf 'hello' | openssl dgst -sha3-256

Wann SHA-3 verwendet werden sollte

SHA-3 ist nicht dazu gedacht, SHA-2 sofort zu ersetzen. SHA-2 bleibt sicher, und keine praktischen Angriffe reduzieren seine Sicherheit unter akzeptable Niveaus. SHA-3 existiert als Backup für den Fall, dass SHA-2 irgendwann gebrochen wird.

Verwenden Sie SHA-3, wenn:

• Sie Resistenz gegen Längenerweiterungsangriffe benötigen (z. B. wenn ein Hash als MAC-Präfix dient)
• Ihre Anwendung auf Hardware mit SHA-3-Beschleunigung läuft
• Sie kryptografische Abhängigkeiten von SHA-2 diversifizieren möchten
• Sie eine Hash-Funktion mit grundlegend anderem Design benötigen (Defence in Depth)
• Sie eine variable Ausgabelänge von SHAKE128 oder SHAKE256 benötigen

Verwenden Sie SHA-3 nicht als Passwort-Hash-Funktion. Wie SHA-2 ist es auf Geschwindigkeit ausgelegt und damit für das Speichern von Passwörtern ungeeignet. Nutzen Sie stattdessen Bcrypt, scrypt oder Argon2.

Häufige Fehler

• Einen einfachen Hash für Passwörter verwenden. Schnelle Hashes (SHA-2, SHA-3) sind keine Passwort-Hashes. Verwenden Sie eine langsame, gesalzene KDF.
• Einen Digest kürzen, ohne das Sicherheitsniveau zu verstehen. Ein gekürzter SHA3-256 ist nicht dasselbe wie SHA3-224.
• Annehmen, SHA-3 sei in Ihrem Stack immer langsamer. Benchmarken Sie mit Ihrer Laufzeitumgebung.
• SHAKE mit einem normalen Hash verwechseln. shake128 erfordert eine explizite Ausgabelänge.
• Dateiinhalte als Text statt binär hashen. Zeilenende-Konvertierungen verändern den Digest stillschweigend.

Häufig gestellte Fragen

Ist SHA-3 sicherer als SHA-2? Beide gelten als sicher. SHA-3 hat eine stärkere theoretische Marge und widersteht Längenerweiterungsangriffen, aber auch SHA-2 hat keine praktischen Brüche. Entscheidend ist, wie Sie den Hash einsetzen.

Sollte ich meine Anwendung von SHA-2 auf SHA-3 migrieren? Nicht dringend. Migrieren Sie dort, wo Sie einen konkreten Vorteil haben (Längenerweiterungsresistenz, SHAKE, Hardwarebeschleunigung).

Was ist Keccak-256? Keccak-256 ist die ursprüngliche Wettbewerbsvariante mit anderem Padding. Sie wird von Ethereum genutzt und ist nicht identisch mit dem NIST-SHA3-256.

Kann SHA-3 für HMAC verwendet werden? Ja. HMAC-SHA3 ist standardisiert (siehe NIST SP 800-185, zusammen mit KMAC). Für neue Systeme ist KMAC oft die sauberere Wahl.

Ist SHA-3 quantensicher? Keine Hash-Funktion allein ist eine vollständige Post-Quanten-Antwort. Grovers Algorithmus halbiert etwa das effektive Sicherheitsniveau, sodass SHA3-256 rund 128 Bit Post-Quanten-Sicherheit bietet.

Online-Tool

Der SHA-3 Hash Generator auf Help2Code berechnet SHA3-224-, SHA3-256-, SHA3-384- und SHA3-512-Hashes sofort in Ihrem Browser. Vergleichen Sie die Ausgabe mit SHA-2-Hashes über den Multiple Hash Generator oder prüfen Sie einen vorhandenen Digest mit dem Hash Checker.

Fazit

SHA-3 ist eine moderne, gut entworfene Hash-Funktion mit einer konservativen Sicherheitsmarge. Während SHA-2 für die meisten Anwendungen der Standard bleibt, ist SHA-3 eine ausgezeichnete Wahl, wenn Sie eine Backup-Hash-Funktion für Defence in Depth, Resistenz gegen Längenerweiterungsangriffe oder die einzigartigen Fähigkeiten der SHAKE-Erweiterbaren-Ausgabefunktionen benötigen.