MD5算法講解

MD5分析與代碼實現

 

 

 

 

 

 

 

一、 MD5密碼算法的特點

（1）    輸出總為16字節

（2）    不可逆性

（3）    高度離散性

（4）    抗碰撞性

 

 

二、 常用實例

（1）    密碼保護

（2）    文件完整性校驗【用於抗碰撞性高，可用於下載文件時，查看文件的md5於下載后，在檢驗一次md5值，如果相同，則文件沒有被修改，否則文件被修改了。從而實現文件完整性校驗】

（3）    數字簽名

（4）    雲盤秒傳【有時雲盤上傳時，在傳輸大文件的情況下，並不是真正實現秒傳。其實只需計算一次文件的Md5值，然后再數據庫中進行尋找，如果有相同的Md5,即直接引用即可】

 

三、 MD5算法的過程實現如下

（1）    數據補充

 MD5密碼算法，需要明文的長度為N*512+448bit，即數據的長度除以512位為448bit。但總長度要是512bit。其實很好奇，最后64bit去哪了。其實最后64bit需要單獨補充，作用是用來計算原始的數據長度。其次，補充的位數為1-521之間。補充的第一位為1，其次補充0.直到滿足mod512的結果為448。圖示如下。

 

 

 

（2）標准幻數

    標准幻數總共為4*4=16字節，看到這個16字節，是不是感覺到很熟悉。對的，它就跟MD5輸出16字節息息相關。

A = 01234567                      B = 89ABCDEF

C = FEDCBA98                      D = 76543210

這就是開始的標准幻數，這些就是作為循環計算的初始值用的。但需要注意的是，在程序中用的是小端字節序，也就是說高字節在前，低字節在后。即為如下所示

A = 0x67452301                    B = 0xEFCDB89

C = 0x98BADCFE                    D = 0x10325476

 

(3) 加密步驟

   1.原始數據分為n個512位，即n個64字節

   2.然后對每個512bit，即64字節分為16個4字節的數據。

4字節x[0]	4字節x[1]	4字節x[2]	4字節x[3]
4字節x[4]	4字節x[5]	4字節x[6]	4字節x[7]
4字節x[8]	4字節x[9]	4字節x[10]	4字節x[11]
4字節x[12]	4字節x[13]	4字節x[14]	4字節x[15]

 

3.准備4個函數

FF（A,B,C,D, X, S,AC）；GG（A,B,C,D, X, S,AC）；

HH（A,B,C,D, X, S,AC）；II（A,B,C,D, X, S,AC）；

 

4個標准幻數          分組的每4字節           固定常數

 

通過4個函數的邏輯運算於移位運算，改變第一個標准幻數的值，對於每4個字節，4個函數分別執行16次。

FF （A,B,C,D,x[0],S11,AC）

FF  (D,A,B,C,x[1],S12,AC)

……..

GG  (A,B,C,D,x[0],S21,AC)

……

HH  (A,B,C,D,x[0],S31,AC)

……

II  (A,B,C,D,x[0],S41,AC)

……

GG  (A,B,C,D,x[0],S44,AC)

 

這就是一輪計算，一輪計算后，改變了4個標准幻數的值。形成新的A,B,C,D。然后新的A,B,C,D於原來的A,B,C,D相加，從而形成新的標准幻數。

 

整個過程重復進行，知道所有的64字節處理完，得到最后的標准幻數。得到的最后的標准幻數即為MD5值。

例：

A = 0Xbfcbfgce                      B = 0Xc4105a80

C = 0X02599277                      D = 0X5c099ee2

 

MD5 = cefgcbbf805a10c477925202e29e095c

 

一、 C++代碼實現如下

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
#define shift(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n))))//右移的時候，高位一定要補零，而不是補充符號位
#define F(x, y, z) (((x) & (y)) | ((~x) & (z)))
#define G(x, y, z) (((x) & (z)) | ((y) & (~z)))
#define H(x, y, z) ((x) ^ (y) ^ (z))
#define I(x, y, z) ((y) ^ ((x) | (~z)))
#define A 0x67452301
#define B 0xefcdab89
#define C 0x98badcfe
#define D 0x10325476
//strBaye的長度
unsigned int strlength;
//A,B,C,D的臨時變量
unsigned int atemp;
unsigned int btemp;
unsigned int ctemp;
unsigned int dtemp;
//常量ti unsigned int(abs(sin(i+1))*(2pow32))
const unsigned int k[]={
        0xd76aa478,0xe8c7b756,0x242070db,0xc1bdceee,
        0xf57c0faf,0x4787c62a,0xa8304613,0xfd469501,0x698098d8,
        0x8b44f7af,0xffff5bb1,0x895cd7be,0x6b901122,0xfd987193,
        0xa679438e,0x49b40821,0xf61e2562,0xc040b340,0x265e5a51,
        0xe9b6c7aa,0xd62f105d,0x02441453,0xd8a1e681,0xe7d3fbc8,
        0x21e1cde6,0xc33707d6,0xf4d50d87,0x455a14ed,0xa9e3e905,
        0xfcefa3f8,0x676f02d9,0x8d2a4c8a,0xfffa3942,0x8771f681,
        0x6d9d6122,0xfde5380c,0xa4beea44,0x4bdecfa9,0xf6bb4b60,
        0xbebfbc70,0x289b7ec6,0xeaa127fa,0xd4ef3085,0x04881d05,
        0xd9d4d039,0xe6db99e5,0x1fa27cf8,0xc4ac5665,0xf4292244,
        0x432aff97,0xab9423a7,0xfc93a039,0x655b59c3,0x8f0ccc92,
        0xffeff47d,0x85845dd1,0x6fa87e4f,0xfe2ce6e0,0xa3014314,
        0x4e0811a1,0xf7537e82,0xbd3af235,0x2ad7d2bb,0xeb86d391};
//向左位移數
const unsigned int s[]={7,12,17,22,7,12,17,22,7,12,17,22,7,
        12,17,22,5,9,14,20,5,9,14,20,5,9,14,20,5,9,14,20,
        4,11,16,23,4,11,16,23,4,11,16,23,4,11,16,23,6,10,
        15,21,6,10,15,21,6,10,15,21,6,10,15,21};
const char str16[]="0123456789abcdef";
void mainLoop(unsigned int M[])
{
    unsigned int f,g;
    unsigned int a=atemp;
    unsigned int b=btemp;
    unsigned int c=ctemp;
    unsigned int d=dtemp;
    for (unsigned int i = 0; i < 64; i++)
    {
        if(i<16){
            f=F(b,c,d);
            g=i;
        }else if (i<32)
        {
            f=G(b,c,d);
            g=(5*i+1)%16;
        }else if(i<48){
            f=H(b,c,d);
            g=(3*i+5)%16;
        }else{
            f=I(b,c,d);
            g=(7*i)%16;
        }
        unsigned int tmp=d;
        d=c;
        c=b;
        b=b+shift((a+f+k[i]+M[g]),s[i]);
        a=tmp;
    }
    atemp=a+atemp;
    btemp=b+btemp;
    ctemp=c+ctemp;
    dtemp=d+dtemp;
}
/*
*填充函數
*處理后應滿足bits≡448(mod512),字節就是bytes≡56（mode64)
*填充方式為先加一個1,其它位補零
*最后加上64位的原來長度
*/
unsigned int* add(string str)
{
    unsigned int num=((str.length()+8)/64)+1;//以512位,64個字節為一組
    unsigned int *strByte=new unsigned int[num*16];    //64/4=16,所以有16個整數
    strlength=num*16;
    for (unsigned int i = 0; i < num*16; i++)
        strByte[i]=0;
    for (unsigned int i=0; i <str.length(); i++)
    {
        strByte[i>>2]|=(str[i])<<((i%4)*8);//一個整數存儲四個字節，i>>2表示i/4 一個unsigned int對應4個字節，保存4個字符信息
    }
    strByte[str.length()>>2]|=0x80<<(((str.length()%4))*8);//尾部添加1 一個unsigned int保存4個字符信息,所以用128左移
    /*
    *添加原長度，長度指位的長度，所以要乘8，然后是小端序，所以放在倒數第二個,這里長度只用了32位
    */
    strByte[num*16-2]=str.length()*8;
    return strByte;
}
string changeHex(int a)
{
    int b;
    string str1;
    string str="";
    for(int i=0;i<4;i++)
    {
        str1="";
        b=((a>>i*8)%(1<<8))&0xff;   //逆序處理每個字節
        for (int j = 0; j < 2; j++)
        {
            str1.insert(0,1,str16[b%16]);
            b=b/16;
        }
        str+=str1;
    }
    return str;
}
string getMD5(string source)
{
    atemp=A;    //初始化
    btemp=B;
    ctemp=C;
    dtemp=D;
    unsigned int *strByte=add(source);
    for(unsigned int i=0;i<strlength/16;i++)
    {
        unsigned int num[16];
        for(unsigned int j=0;j<16;j++)
            num[j]=strByte[i*16+j];
        mainLoop(num);
    }
    return changeHex(atemp).append(changeHex(btemp)).append(changeHex(ctemp)).append(changeHex(dtemp));
}

int main()
{
    string ss;
//    cin>>ss;
    string s=getMD5("abc");
    cout<<s;
    return 0;
}