信息摘要算法之一：MD5算法分析及实现

2018-1-28 11:15:31 3516 信息算法分析

0 MD5即Message-DigestAlgorithm 5（信息-摘要算法5），用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。 1、MD5算法简介 MD5在90年代初由MIT的计算机科学实验室和RSA DataSecurity Inc发明，经MD2、MD3和MD4发展而来。 MD5将任意长度的“字节串”变换成一个128bit的大整数，并且它是一个不可逆的字符串变换算法，换句话说就是，即使你看到源程序和算法描述，也无法将一个MD5的值变换回原始的字符串，从数学原理上说，是因为原始的字符串有无穷多个。 MD5的典型应用是对一段信息串 (Message)产生所谓的指纹 (fingerprint)，以防止被“篡改”。比方说，你将一段话写在一个文本文件中，并对这个文本文件产生一个MD5的值并记录在案，然后你可以传播这个文件给别人，别人如果修改了文件中的任何内容，你对这个文件重新计算MD5时就会发现。如果再有一个第三方的认证机构，用MD5还可以防止文件作者的“抵赖”，这就是所谓的数字签名应用。 MD5还广泛用于加密和解密技术上，在很多操作系统中，用户的密码是以MD5值（或类似的其它算法）的方式保存的，用户Login的时候，系统是把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和系统中保存的MD5值进行比较，而系统并不“知道”用户的密码是什么。 2、MD5算法分析前面我们提到了MD5算法的主要应用领域，那么究竟MD5算法具体是什么样的呢？接下来我们就对其原理进行一些说明。（1）待加密信息处理显而易见，我们要对一个字符串进行MD5计算，那么肯定要从这个字符串的处理入手。我们知道一个字符的长度是一个字节，即8位（bit）的长度。MD5对待加密的字符串的处理是将一个字符串分割成每512位为一个分组，形如N512+R，这里的R是余下的位数。这个R分为几种情况： R=0时，需要补位，单补上一个512位的分组，因为还要加入最后64个位的字符串长度。 R<448时，则需要补位到448位，后面添加64位的字符串长度。 R>448时，除了补满这一分组外，还要再补上一个512位的分组后面添加64位的字符串长度。补位的形式是先填充一个1，再接无数个0，直到补足512位。（2）MD5的链接变量及基本操作* MD5有四个32位的被称作链接变量的整数参数，这是个参数我们定义为A、B、C、D其取值为：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210。但考虑到内存数据存储大小端的问题我们将其赋值为：A=0x67452301，B=0xefcdab89，C=0x98badcfe，D=0x10325476。同时MD5算法规定了四个非线性操作函数（&是与，\|是或，~是非，^是异或）： F(X,Y,Z)=(X&Y)\|((~X)&Z) G(X,Y,Z)=(X&Z)\|(Y&(~Z)) H(X,Y,Z) =X^Y^Z I(X,Y,Z)=Y^(X\|(~Z)) 这些函数是这样设计的：如果X、Y和Z的对应位是独立和均匀的，那么结果的每一位也应是独立和均匀的。利用上面的四种操作，生成四个重要的计算函数。首先我们声明四个中间变量a,b,c,d，赋值：a = A, b = B,c = C, d = D。然后定义这四个计算函数为： FF(a, b, c, d, M[j], s,ti)表示 a = b + ((a +F(b, c, d) + Mj + ti) <<< s) GG(a, b, c, d, M[j], s,ti)表示 a = b + ((a +G(b, c, d) + Mj + ti) <<< s) HH(a, b, c, d, M[j], s,ti)表示 a = b + ((a +H(b, c, d) + Mj + ti) <<< s) II(a, b, c, d, M[j], s,ti)表示 a = b + ((a +I(b, c, d) + Mj + ti) <<< s) 其中M[j]表示消息的第j个子分组（从0到15），<<表示循环左移s，常数ti是4294967296abs(sin(i))的整数部分，i取值从1到64，单位是弧度。（3）循环计算定义好上述的四个计算函数后，就可以实现MD5的真正循环计算了。这个循环的循环次数为512位分组的个数。每次循环执行64不计算，上述4个函数每个16次，具体如下： //第一轮循环计算 FF(a,b,c,d,M[0],7,0xd76aa478); FF(d,a,b,c,M[1],12,0xe8c7b756); FF(c,d,a,b,M[2],17,0x242070db); FF(b,c,d,a,M[3],22,0xc1bdceee); FF(a,b,c,d,M[4],7,0xf57c0faf); FF(d,a,b,c,M[5],12,0x4787c62a); FF(c,d,a,b,M[6],17,0xa8304613); FF(b,c,d,a,M[7],22,0xfd469501) ; FF(a,b,c,d,M[8],7,0x698098d8) ; FF(d,a,b,c,M[9],12,0x8b44f7af) ; FF(c,d,a,b,M[10],17,0xffff5bb1) ; FF(b,c,d,a,M[11],22,0x895cd7be) ; FF(a,b,c,d,M[12],7,0x6b901122) ; FF(d,a,b,c,M[13],12,0xfd987193) ; FF(c,d,a,b,M[14],17,0xa679438e) ; FF(b,c,d,a,M[15],22,0x49b40821); //第二轮循环计算 GG(a,b,c,d,M[1],5,0xf61e2562); GG(d,a,b,c,M[6],9,0xc040b340); GG(c,d,a,b,M[11],14,0x265e5a51); GG(b,c,d,a,M[0],20,0xe9b6c7aa) ; GG(a,b,c,d,M[5],5,0xd62f105d) ; GG(d,a,b,c,M[10],9,0x02441453) ; GG(c,d,a,b,M[15],14,0xd8a1e681); GG(b,c,d,a,M[4],20,0xe7d3fbc8) ; GG(a,b,c,d,M[9],5,0x21e1cde6) ; GG(d,a,b,c,M[14],9,0xc33707d6) ; GG(c,d,a,b,M[3],14,0xf4d50d87) ; GG(b,c,d,a,M[8],20,0x455a14ed); GG(a,b,c,d,M[13],5,0xa9e3e905); GG(d,a,b,c,M[2],9,0xfcefa3f8) ; GG(c,d,a,b,M[7],14,0x676f02d9) ; GG(b,c,d,a,M[12],20,0x8d2a4c8a); //第三轮循环计算 HH(a,b,c,d,M[5],4,0xfffa3942); HH(d,a,b,c,M[8],11,0x8771f681); HH(c,d,a,b,M[11],16,0x6d9d6122); HH(b,c,d,a,M[14],23,0xfde5380c) ; HH(a,b,c,d,M[1],4,0xa4beea44) ; HH(d,a,b,c,M[4],11,0x4bdecfa9) ; HH(c,d,a,b,M[7],16,0xf6bb4b60) ; HH(b,c,d,a,M[10],23,0xbebfbc70); HH(a,b,c,d,M[13],4,0x289b7ec6); HH(d,a,b,c,M[0],11,0xeaa127fa); HH(c,d,a,b,M[3],16,0xd4ef3085); HH(b,c,d,a,M[6],23,0x04881d05); HH(a,b,c,d,M[9],4,0xd9d4d039); HH(d,a,b,c,M[12],11,0xe6db99e5); HH(c,d,a,b,M[15],16,0x1fa27cf8) ; HH(b,c,d,a,M[2],23,0xc4ac5665); //第四轮循环计算 II(a,b,c,d,M[0],6,0xf4292244) ; II(d,a,b,c,M[7],10,0x432aff97) ; II(c,d,a,b,M[14],15,0xab9423a7); II(b,c,d,a,M[5],21,0xfc93a039) ; II(a,b,c,d,M[12],6,0x655b59c3) ; II(d,a,b,c,M[3],10,0x8f0ccc92) ; II(c,d,a,b,M[10],15,0xffeff47d); II(b,c,d,a,M[1],21,0x85845dd1) ; II(a,b,c,d,M[8],6,0x6fa87e4f) ; II(d,a,b,c,M[15],10,0xfe2ce6e0); II(c,d,a,b,M[6],15,0xa3014314) ; II(b,c,d,a,M[13],21,0x4e0811a1); II(a,b,c,d,M[4],6,0xf7537e82) ; II(d,a,b,c,M[11],10,0xbd3af235); II(c,d,a,b,M[2],15,0x2ad7d2bb); II(b,c,d,a,M[9],21,0xeb86d391); （4）结果输出处理完所有的512位的分组后，得到一组新的A,B,C,D的值，将这些值按ABCD的顺序级联，就得到了想要的MD5散列值。当然，输出依然要考虑内存存储的大小端问题。 3、MD5算法实现* 根据前面分算法分析，接下来我们来具体实现这一算法，我们暂时不考虑字符串的分组预处理，假设只有1组，就是说长度不会超过448位。多组的炒作也是一样的，只需要增加循环计算的次数，所以我们实际从上述分析的第二步开始。（1）初始化操作前面我们已经提到过了，在开始MD5需要定义算法规定的数组、操作函数以及初始化4个链接变量。操作函数我们使用宏定义来实现。关于链接变量的初始化操作需要在对消息加密前操作，我们定义如下的初始化函数： /对MD5结构体进行初始化操作/ voidMD5Start(MD5Contex context) { context->count[0]=0; context->count[1]=0; //初始化链接变量 context->state[0] = 0x67452301; context->state[1] = 0xEFCDAB89; context->state[2] = 0x98BADCFE; context->state[3] = 0x10325476; } （2）MD5值计算* 接下来我们实现MD5值得计算及结构体的更新： /将要加密的信息传递给初始化过的MD5结构体，无返回值 / /context：初始化过了的MD5结构体 / /input：需要加密的信息，可以任意长度 / /inputLen：指定input的长度 / voidMD5Update(MD5Contex context, uint8_t input,uint32_t inputlen) { uint32_t i = 0,index = 0,partlen = 0; index = (context->count[0] >> 3)& 0x3F; partlen = 64 - index; context->count[0] += inputlen << 3; if(context->count[0] < (inputlen<< 3)) { context->count[1]++; } context->count[1] += inputlen >> 29; if(inputlen >= partlen) { memcpy(&context->buffer[index],input,partlen); MD5Process(context->state,context->buffer); for(i = partlen;i+64 <= inputlen;i+=64) { MD5Process(context->state,&input); } index = 0; } else { i = 0; } memcpy(&context->buffer[index],&input,inputlen-i); } MD5的主体循环部分，我们实现如下： /对512bits信息(即block缓冲区)进行一次处理，每次处理包括四轮 / /uint32_tstate：MD5结构体中的state[4]，用于保存信息加密的结果 /* /uint8_tblock：欲加密的512bits信息 /* static voidMD5Process(uint32_t state, uint8_t block) { uint32_t a = state[0]; uint32_t b = state[1]; uint32_t c = state[2]; uint32_t d = state[3]; uint32_t x[64]; MD5Decode(x,block,64); /第一轮计算/ FF(a, b, c, d, x[ 0],constMove[0],constTable[0][0]); FF(d, a, b, c, x[ 1], constMove[1],constTable[0][1]); FF(c, d, a, b, x[ 2],constMove[2],constTable[0][2]); FF(b, c, d, a, x[ 3],constMove[3],constTable[0][3]); FF(a, b, c, d, x[ 4],constMove[0],constTable[0][4]); FF(d, a, b, c, x[ 5],constMove[1],constTable[0][5]); FF(c, d, a, b, x[ 6],constMove[2],constTable[0][6]); FF(b, c, d, a, x[ 7],constMove[3],constTable[0][7]); FF(a, b, c, d, x[ 8],constMove[0],constTable[0][8]); FF(d, a, b, c, x[ 9],constMove[1],constTable[0][9]); FF(c, d, a, b, x[10], constMove[2],constTable[0][10]); FF(b, c, d, a, x[11],constMove[3],constTable[0][11]); FF(a, b, c, d, x[12],constMove[0],constTable[0][12]); FF(d, a, b, c, x[13],constMove[1],constTable[0][13]); FF(c, d, a, b, x[14],constMove[2],constTable[0][14]); FF(b, c, d, a, x[15],constMove[3],constTable[0][15]); /第二轮计算/ GG(a, b, c, d, x[ 1],constMove[4],constTable[1][0]); GG(d, a, b, c, x[ 6],constMove[5],constTable[1][1]); GG(c, d, a, b, x[11],constMove[6],constTable[1][2]); GG(b, c, d, a, x[ 0],constMove[7],constTable[1][3]); GG(a, b, c, d, x[ 5],constMove[4],constTable[1][4]); GG(d, a, b, c, x[10],constMove[5],constTable[1][5]); GG(c, d, a, b, x[15],constMove[6],constTable[1][6]); GG(b, c, d, a, x[ 4],constMove[7],constTable[1][7]); GG(a, b, c, d, x[ 9],constMove[4],constTable[1][8]); GG(d, a, b, c, x[14],constMove[5],constTable[1][9]); GG(c, d, a, b, x[ 3],constMove[6],constTable[1][10]); GG(b, c, d, a, x[ 8],constMove[7],constTable[1][11]); GG(a, b, c, d, x[13],constMove[4],constTable[1][12]); GG(d, a, b, c, x[ 2], constMove[5],constTable[1][13]); GG(c, d, a, b, x[ 7],constMove[6],constTable[1][14]); GG(b, c, d, a, x[12],constMove[7],constTable[1][15]); /第三轮计算/ HH(a, b, c, d, x[ 5],constMove[8],constTable[2][0]); HH(d, a, b, c, x[ 8], constMove[9],constTable[2][1]); HH(c, d, a, b, x[11],constMove[10],constTable[2][2]); HH(b, c, d, a, x[14],constMove[11],constTable[2][3]); HH(a, b, c, d, x[ 1],constMove[8],constTable[2][4]); HH(d, a, b, c, x[ 4],constMove[9],constTable[2][5]); HH(c, d, a, b, x[ 7],constMove[10],constTable[2][6]); HH(b, c, d, a, x[10],constMove[11],constTable[2][7]); HH(a, b, c, d, x[13],constMove[8],constTable[2][8]); HH(d, a, b, c, x[ 0],constMove[9],constTable[2][9]); HH(c, d, a, b, x[ 3], constMove[10],constTable[2][10]); HH(b, c, d, a, x[ 6],constMove[11],constTable[2][11]); HH(a, b, c, d, x[ 9],constMove[8],constTable[2][12]); HH(d, a, b, c, x[12],constMove[9],constTable[2][13]); HH(c, d, a, b, x[15],constMove[10],constTable[2][14]); HH(b, c, d, a, x[ 2],constMove[11],constTable[2][15]); /第四轮计算/ II(a, b, c, d, x[ 0],constMove[12],constTable[3][0]); II(d, a, b, c, x[ 7],constMove[13],constTable[3][1]); II(c, d, a, b, x[14],constMove[14],constTable[3][2]); II(b, c, d, a, x[ 5],constMove[15],constTable[3][3]); II(a, b, c, d, x[12],constMove[12],constTable[3][4]); II(d, a, b, c, x[ 3],constMove[13],constTable[3][5]); II(c, d, a, b, x[10],constMove[14],constTable[3][6]); II(b, c, d, a, x[ 1],constMove[15],constTable[3][7]); II(a, b, c, d, x[ 8], constMove[12],constTable[3][8]); II(d, a, b, c, x[15],constMove[13],constTable[3][9]); II(c, d, a, b, x[ 6],constMove[14],constTable[3][10]); II(b, c, d, a, x[13],constMove[15],constTable[3][11]); II(a, b, c, d, x[ 4],constMove[12],constTable[3][12]); II(d, a, b, c, x[11],constMove[13],constTable[3][13]); II(c, d, a, b, x[ 2],constMove[14],constTable[3][14]); II(b, c, d, a, x[ 9],constMove[15],constTable[3][15]); state[0] += a; state[1] += b; state[2] += c; state[3] += d; } （3）输出转换最后我们将计算所得的MD5值进行输出格式整理，时期按应有的顺序输出。 /获得最终的MD5值，无返回值 / /digest：保存最终的加密串 / /context：你前面初始化并填入了信息的md5结构 / voidMD5Final(MD5Contex context, uint8_t digest) { uint32_t index = 0,padlen = 0; uint8_t bits[8]; index = (context->count[0] >> 3)& 0x3F; padlen = (index <56)?(56-index):(120-index); MD5Encode(bits,context->count,8); MD5Update(context,padding,padlen); MD5Update(context,bits,8); MD5Encode(digest,context->state,16); } 4、结论 MD5作为一种检验手段被广泛应用，特别在用户密码保存方面，因其不可逆和低碰撞的特性更是大受欢迎。我们使用自己编写的MD5算法计算一下普通的“hello world123456789”的MD5散列值：在前面我们实现了MD5算法，但是我们如果仔细分析就会发现，具体的实现代码是可以大幅度优化的，特别是在四轮计算过程中。我们如果将FF、GG、HH、II不采用宏定义，而是声明为4个函数，很明显这四个函数的声明是一样的。于是利用指针和数组可将四轮计算简化为： for(i=0;i<4;i++) { for(j=0;j<4;j++) { pF(a, b, c, d, x[k[4j]],constMove[4i],constTable[4j]); pF(d, a, b, c, x[k[4j+1]],constMove[4i+1],constTable[4j+1]); pF(c, d, a, b, x[k[4j+2]],constMove[4i+2],constTable[4j+2]);* pF(b, c, d, a, x[k[4j+3]],constMove[4i+3],constTable[4j+3]);* } } 当然，这一优化仅是对代码层面的简化，实际的计算依然是64次，所以对算法是没有影响的。对于中文字符的MD5散列值，则存在一个字符编码的问题，比如对中文“中国”的编码结果： GB2312编码下的结果：CF0832DEDF7457BBCBFA00BBD87B300A UTF-8编码下的结果：C13DCEABCB143ACD6C9298265D618A9F 0
2018-1-28 11:15:31　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 【安全算法之MD5】MD5摘要运算的C语言源码实现 3545 • md5算法原理与实现 7105 • MD5算法怎么执行？ 4685 • MD5算法源码 4238 • md5的算法步骤及应用 6163 • md5算法可逆吗_MD5值是什么 12588 • 如何对MD5加密算法优化？ 458 • 基于MD5算法的密码加密 2498 • 基于MD5算法的动态口令技术的软件实现 0 • 如何使用KEIL5对MD5算法进行编译？ 1960