MD5及其底层原理

本文大部分摘自TOMORROW星辰：漫画趣解MD5算法

MD5是什么

MD5信息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。MD5由美国密码学家罗纳德·李维斯特（Ronald Linn Rivest）设计，于1992年公开，用以取代MD4算法。这套算法的程序在 RFC 1321 标准中被加以规范。1996年后该算法被证实存在弱点，可以被加以破解，对于需要高度安全性的数据，专家一般建议改用其他算法，如SHA-2。2004年，证实MD5算法无法防止碰撞（collision），因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。----百度百科

MD5可以将任意长度的输入串经过计算得到固定长度（128位）的输出，而且只有在明文相同的情况下，才能等到相同的密文，而且在很大程度上是不可逆的。

摘要哈希生成的正确姿势：

1.收集相关参数。

2.按照规则，把参数名和参数值拼接成一个字符串，同时把给定的密钥也拼接起来。之所以需要密钥，是因为攻击者也可能获知拼接规则。

3.利用MD5算法，从原文生成哈希值。MD5生成的哈希值是 128 位的二进制数，也就是 32 位的十六进制数。

MD5签名认证原理
请求方对请求数据按一定的规则排序，加上appkey码一起通过MD5加密生成签名，然后把请求数据和签名发给服务方，服务方拿到数据后，去掉appid和无用的数据，通过appid找到请求方的appkey,然后按同样的规则处理数据，并加上appkey通过MD5加密也生成签名，然后和请求方生成的签名去对比，如果值一样，签名验证通过。

需要的东西
服务商一般会给你一个appid，appkey；同时这两个参数服务商也会保存，这两个形成了你的唯一标识。 appid通过网络传输，而appkey是不在网络上进行传输的，只在生成签名时使用，所以安全性还是比较高的。

来自最详细的MD5签名的原理和流程

MD5算法底层原理

简单概括为4步：
处理原文、设置初始值、循环加工、密文拼接

1. 处理原文
   在MD5算法中要对数据进行按位填充，要求最终的位数对512求模的结果为448。即便是这个数据的位数对512求模的结果正好是448也必须进行补位。至少补1位，而最多可能补512位 。补位的实现过程：首先在数据后补一个1 ； 接着在后面补上一堆0, 直到整个数据的位数对512求模的结果正好为448。将原文的原始长度用二进制表示储存在剩余的64bit中。最后的结果数据长度正好是512的整数倍。

2. 设置初始值
   MD5 的哈希结果长度为 128 位，按每 32 位分成一组共 4 组。这 4 组结果是由 4 个初始值 A、B、C、D 经过不断演变得到。MD5 的官方实现中，A、B、C、D 的初始值如下（16 进制）：

     A=0x01234567 
     B=0x89ABCDEF 
     C=0xFEDCBA98 
     D=0x76543210 
   

3. 循环加工（最复杂就是这里了）
   首先定义4个非线性函数F、G、H、I（官方MD5使用的函数如下），对输入的报文运算以512位数据段为单位进行处理。对每个数据段都要进行4轮的逻辑处理，在4轮中分别使用4个不同的函数F、G、H、I。每一轮以ABCD和当前的512位的块为输入，处理后送入ABCD(128位) 。

    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))
   

那么要循环多少次呢？设处理后的原文长度为x，那么x/512 就是主循环次数，每个主循环包括512/32*4=64次子循环，其中4是表示被上面的F、G、H、I四个函数处理（第一个 16 次使用 F，第二个 16 次使用 G，第三个 16 次使用 H，第四个 16 次使用 I）。

下面是单次子循环的流程。

注释： F代表非线性函，也就是F、G、H、I这4个函数。红色“田”字表示相加的意思。Mi 是第一步处理后的原文。在第一步中，处理后原文的长度是 512 的整数倍。把原文的每 512 位再分成 16 等份，命名为 M0~M15，每一等份长度 32。在 64 次子循环中，每 16 次循环，都会交替用到 M1~M16 之一。Ki一个常量，在 64 次子循环中，每一次用到的常量都是不同的。黄色的<< 新 ABCD 的产生可以归纳为：
新 A = 原 d
新 B = b+((a+F(b,c,d)+Mj+Ki)<< 新 C = 原 b
新 D = 原 c

4. 密文拼接
   就是把字符串拼接在一起。

为了更好的理解，来源于 百度百科 上的 MD5加密的C++代码如下：
`.

#include
#include
using namespace std;
#define shift(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n))))//右移的时候，高位一定要补零，而不是补充符号位
#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的长度
unsigned int strlength;
//A,B,C,D的临时变量
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};
//向左位移数
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;
}
/*
*填充函数
*处理后应满足bits≡448(mod512),字节就是bytes≡56（mode64)
*填充方式为先加一个1,其它位补零
*最后加上64位的原来长度
*/
unsigned int* add(string str)
{
    unsigned int num=((str.length()+8)/64)+1;//以512位,64个字节为一组
    unsigned int *strByte=new unsigned int[num*16];    //64/4=16,所以有16个整数
    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);//一个整数存储四个字节，i>>2表示i/4 一个unsigned int对应4个字节，保存4个字符信息
    }
    strByte[str.length()>>2]|=0x80<<(((str.length()%4))*8);//尾部添加1 一个unsigned int保存4个字符信息,所以用128左移
    /*
    *添加原长度，长度指位的长度，所以要乘8，然后是小端序，所以放在倒数第二个,这里长度只用了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;   //逆序处理每个字节
        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;
}