转- C#MD5算法

当我要写一个MD5算法的程序时，发现中英文的语言描述都有一些不确切的地方，某些个细节
讲得不清楚，或者说很费解。最后不得不拿出C语言的源程序来调试，这对于理解算法是很不
利的。于是就总结了一下我摸索到的一些要点。

1.来历
MD5的全称是message-digest algorithm 5(信息-摘要算法，在90年代初由mit laboratory
for computer science和rsa data security inc的ronald l. rivest开发出来，
经md2、md3和md4发展而来。http://www.ietf.org/rfc/rfc1321.txt，是一份最权威的文档，
由ronald l. rivest在1992年8月向ieft提交。

2.用途
MD5的作用是对一段信息(message)生成信息摘要(message-digest)，该摘要对该信息具有
唯一性,可以作为数字签名。用于验证文件的有效性(是否有丢失或损坏的数据),对用户
密码的加密，在哈希函数中计算散列值。

3.特点
输入一个任意长度的字节串，生成一个128位的整数。由于算法的某些不可逆特征，在加密应用
上有较好的安全性。并且，MD5算法的使用不需要支付任何版权费用。

4.说明
唯一性和不可逆性都不是绝对的，从理论上分析是一种多对一的关系，但两个不同的信息产生
相同摘要的概率很小。不可逆是指从输出反推输入所需的运算量和计算时间太大，使用穷搜字
典的方法又需要太多的存储空间。

5.算法描述

算法输入是一个字节串，每个字节是8个bit.
算法的执行分为以下几个步骤：

第一步，补位：
MD5算法先对输入的数据进行补位，使得数据的长度(以byte为单位)对64求余的结果是56。
即数据扩展至LEN=K*64+56个字节，K为整数。
补位方法：补一个1，然后补0至满足上述要求。相当于补一个0x80的字节，再补值
为0的字节。这一步里总共补充的字节数为0～63个。

第二步，附加数据长度：
用一个64位的整数表示数据的原始长度(以bit为单位)，将这个数字的8个字节按低位的在前，
高位在后的顺序附加在补位后的数据后面。这时，数据被填补后的总长度为：
LEN = K*64+56+8=(K+1)*64 Bytes。

※注意那个64位整数是输入数据的原始长度而不是填充字节后的长度,我就在这里栽了跟头.

第三步，初始化MD5参数：
有四个32位整数变量 (A,B,C,D) 用来计算信息摘要，每一个变量被初始化成以下
以十六进制数表示的数值，低位的字节在前面。
word A: 01 23 45 67
word B: 89 ab cd ef
word C: fe dc ba 98
word D: 76 54 32 10
※注意低位的字节在前面指的是Little Endian平台上内存中字节的排列方式，
而在程序中书写时，要写成：
A=0x67452301
B=0xefcdab89
C=0x98badcfe
D=0x10325476

第四步，定义四个MD5基本的按位操作函数：
X，Y，Z为32位整数。
F(X,Y,Z) = (X and Y) or (not(X) and Z)
G(X,Y,Z) = (X and Z) or (Y and not(Z))
H(X,Y,Z) = X xor Y xor Z
I(X,Y,Z) = Y xor (X or not(Z))

再定义四个分别用于四轮变换的函数。
设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），<<<s表示循环左移s位，则四种操作为：
FF(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(F(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)
GG(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(G(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)
HH(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(H(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)
II(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(I(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)


第五步，对输入数据作变换。
处理数据，N是总的字节数，以64个字节为一组，每组作一次循环，每次循环进行四轮操作。
要变换的64个字节用16个32位的整数数组M[0 ...15]表示。而数组T[1 ... 64]表示一组常数，
T[i]为4294967296*abs(sin(i))的32位整数部分，i的单位是弧度,i的取值从1到64。
具体过程如下：

/* 设置主循环变量 */
For i = 0 to N/16-1 do

/*每循环一次，把数据原文存放在16个元素的数组X中. */
For j = 0 to 15 do
Set X[j] to M[i*16+j].
end /结束对J的循环

/* Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD.
*/
AA = A
BB = B
CC = C
DD = D

/* 第1轮*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 0 7 1] [DABC 1 12 2] [CDAB 2 17 3] [BCDA 3 22 4]
[ABCD 4 7 5] [DABC 5 12 6] [CDAB 6 17 7] [BCDA 7 22 8]
[ABCD 8 7 9] [DABC 9 12 10] [CDAB 10 17 11] [BCDA 11 22 12]
[ABCD 12 7 13] [DABC 13 12 14] [CDAB 14 17 15] [BCDA 15 22 16]


/* 第2轮* */
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 1 5 17] [DABC 6 9 18] [CDAB 11 14 19] [BCDA 0 20 20]
[ABCD 5 5 21] [DABC 10 9 22] [CDAB 15 14 23] [BCDA 4 20 24]
[ABCD 9 5 25] [DABC 14 9 26] [CDAB 3 14 27] [BCDA 8 20 28]
[ABCD 13 5 29] [DABC 2 9 30] [CDAB 7 14 31] [BCDA 12 20 32]

/* 第3轮*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 5 4 33] [DABC 8 11 34] [CDAB 11 16 35] [BCDA 14 23 36]
[ABCD 1 4 37] [DABC 4 11 38] [CDAB 7 16 39] [BCDA 10 23 40]
[ABCD 13 4 41] [DABC 0 11 42] [CDAB 3 16 43] [BCDA 6 23 44]
[ABCD 9 4 45] [DABC 12 11 46] [CDAB 15 16 47] [BCDA 2 23 48]


/* 第4轮*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 0 6 49] [DABC 7 10 50] [CDAB 14 15 51] [BCDA 5 21 52]
[ABCD 12 6 53] [DABC 3 10 54] [CDAB 10 15 55] [BCDA 1 21 56]
[ABCD 8 6 57] [DABC 15 10 58] [CDAB 6 15 59] [BCDA 13 21 60]
[ABCD 4 6 61] [DABC 11 10 62] [CDAB 2 15 63] [BCDA 9 21 64]

/* 然后进行如下操作 */
A = A + AA
B = B + BB
C = C + CC
D = D + DD

Next i /* 结束对I的循环*/

第六步，输出结果。
A，B，C，D连续存放，共16个字节，128位。按十六进制依次输出这个16个字节。


最后，用程序语言实现算法后，可以输入以下几个信息对程序作一个简单的测试，
看看程序有没有错误。
　MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
　MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
　MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
　MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
　MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
　MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789") =
d174ab98d277d9f5a5611c2c9f419d9f
MD5 ("123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890") = 57edf4a22be3c955ac49da2e2107b67a


MD5算法之C#程序

MD5算法比较特别，最适合用汇编语言来写，好多高级语言对之无能无力或效率极低。
比如我最开始尝试用Python和Euphoria编写，发现不太容易。相比而言，C#作为C家簇
中新兴的一门.net语言，功能比较全面。花了一晚上的工夫终于用C#最先实现了MD5。
主要是由于对算法的一些细节不太注意，结果输出总是不对，调试了好长时间。

[code]

  1 // 源文件：md5.cs 
  2 //  MD5 Alogrithm 
  3 //  by rufi 2004.6.20  http://rufi.yculblog.com/  
  4 using  System; 
  5 using  System.Collections; 
  6 using  System.IO; 
  7
  8 public   class  MD5  { 
  9//static state variables 
 10private static UInt32 A; 
 11private static UInt32 B; 
 12private static UInt32 C; 
 13private static UInt32 D; 
 14
 15//number of bits to rotate in tranforming 
 16private const int S11 = 7; 
 17private const int S12 = 12; 
 18private const int S13 = 17; 
 19private const int S14 = 22; 
 20private const int S21 = 5; 
 21private const int S22 = 9; 
 22private const int S23 = 14; 
 23private const int S24 = 20; 
 24private const int S31 = 4; 
 25private const int S32 = 11; 
 26private const int S33 = 16; 
 27private const int S34 = 23; 
 28private const int S41 = 6; 
 29private const int S42 = 10; 
 30private const int S43 = 15; 
 31private const int S44 = 21; 
 32
 33
 34/**//* F, G, H and I are basic MD5 functions. 
 35* 四个非线性函数: 
 36* 
 37* F(X,Y,Z) =(X&Y)|((~X)&Z) 
 38* G(X,Y,Z) =(X&Z)|(Y&(~Z)) 
 39* H(X,Y,Z) =X^Y^Z 
 40* I(X,Y,Z)=Y^(X|(~Z)) 
 41* 
 42* （&与，|或，~非，^异或） 
 43*/ 
 44private static UInt32 F(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){ 
 45return (x&y)|((~x)&z); 
 46} 
 47private static UInt32 G(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){ 
 48return (x&z)|(y&(~z)); 
 49} 
 50private static UInt32 H(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){ 
 51return x^y^z; 
 52} 
 53private static UInt32 I(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){ 
 54return y^(x|(~z)); 
 55} 
 56
 57/**//* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4. 
 58* Rotation is separate from addition to prevent recomputation. 
 59*/ 
 60private static void FF(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){ 
 61a = a + F(b,c,d) + mj + ti; 
 62a = a << s | a >> (32-s); 
 63a += b; 
 64} 
 65private static void GG(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){ 
 66a = a + G(b,c,d) + mj + ti; 
 67a = a << s | a >> (32-s); 
 68a += b; 
 69} 
 70private static void HH(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){ 
 71a = a + H(b,c,d) + mj + ti; 
 72a = a << s | a >> (32-s); 
 73a += b; 
 74} 
 75private static void II(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){ 
 76a = a + I(b,c,d) + mj + ti; 
 77a = a << s | a >> (32-s); 
 78a += b; 
 79} 
 80
 81private static void MD5_Init(){ 
 82A=0x67452301; //in memory, this is 0x01234567 
 83B=0xefcdab89; //in memory, this is 0x89abcdef 
 84C=0x98badcfe; //in memory, this is 0xfedcba98 
 85D=0x10325476; //in memory, this is 0x76543210 
 86} 
 87
 88private static UInt32[] MD5_Append(byte[] input){ 
 89int zeros=0; 
 90int ones =1; 
 91int size=0; 
 92int n = input.Length; 
 93int m = n%64; 
 94if( m < 56 ){ 
 95zeros = 55-m; 
 96size=n-m+64; 
 97} 
 98else if (m==56){ 
 99zeros = 0; 
100ones = 0; 
101size=n+8; 
102} 
103else{ 
104zeros = 63-m+56; 
105size=n+64-m+64; 
106} 
107
108ArrayList bs = new ArrayList(input); 
109if(ones==1){ 
110bs.Add( (byte)0x80 ); // 0x80 = $10000000 
111} 
112for(int i=0;i<zeros;i++){ 
113bs.Add( (byte)0 ); 
114} 
115
116UInt64 N = (UInt64) n * 8; 
117byte h1=(byte)(N&0xFF); 
118byte h2=(byte)((N>>8)&0xFF); 
119byte h3=(byte)((N>>16)&0xFF); 
120byte h4=(byte)((N>>24)&0xFF); 
121byte h5=(byte)((N>>32)&0xFF); 
122byte h6=(byte)((N>>40)&0xFF); 
123byte h7=(byte)((N>>48)&0xFF); 
124byte h8=(byte)(N>>56); 
125bs.Add(h1); 
126bs.Add(h2); 
127bs.Add(h3); 
128bs.Add(h4); 
129bs.Add(h5); 
130bs.Add(h6); 
131bs.Add(h7); 
132bs.Add(h8); 
133byte[] ts=(byte[])bs.ToArray(typeof(byte)); 
134
135/**//* Decodes input (byte[]) into output (UInt32[]). Assumes len is 
136* a multiple of 4. 
137*/ 
138UInt32[] output = new UInt32[size/4]; 
139for(Int64 i=0,j=0;i<size;j++,i+=4){ 
140output[j]=(UInt32)(ts[i] | ts[i+1]<<8 | ts[i+2]<<16 | ts[i+3]<<24); 
141} 
142return output; 
143} 
144private static UInt32[] MD5_Trasform(UInt32[] x){ 
145
146UInt32 a,b,c,d; 
147
148for(int k=0;k<x.Length;k+=16){ 
149a=A; 
150b=B; 
151c=C; 
152d=D; 
153
154/**//* Round 1 */ 
155FF (ref a, b, c, d, x[k+ 0], S11, 0xd76aa478); /**//* 1 */ 
156FF (ref d, a, b, c, x[k+ 1], S12, 0xe8c7b756); /**//* 2 */ 
157FF (ref c, d, a, b, x[k+ 2], S13, 0x242070db); /**//* 3 */ 
158FF (ref b, c, d, a, x[k+ 3], S14, 0xc1bdceee); /**//* 4 */ 
159FF (ref a, b, c, d, x[k+ 4], S11, 0xf57c0faf); /**//* 5 */ 
160FF (ref d, a, b, c, x[k+ 5], S12, 0x4787c62a); /**//* 6 */ 
161FF (ref c, d, a, b, x[k+ 6], S13, 0xa8304613); /**//* 7 */ 
162FF (ref b, c, d, a, x[k+ 7], S14, 0xfd469501); /**//* 8 */ 
163FF (ref a, b, c, d, x[k+ 8], S11, 0x698098d8); /**//* 9 */ 
164FF (ref d, a, b, c, x[k+ 9], S12, 0x8b44f7af); /**//* 10 */ 
165FF (ref c, d, a, b, x[k+10], S13, 0xffff5bb1); /**//* 11 */ 
166FF (ref b, c, d, a, x[k+11], S14, 0x895cd7be); /**//* 12 */ 
167FF (ref a, b, c, d, x[k+12], S11, 0x6b901122); /**//* 13 */ 
168FF (ref d, a, b, c, x[k+13], S12, 0xfd987193); /**//* 14 */ 
169FF (ref c, d, a, b, x[k+14], S13, 0xa679438e); /**//* 15 */ 
170FF (ref b, c, d, a, x[k+15], S14, 0x49b40821); /**//* 16 */ 
171
172/**//* Round 2 */ 
173GG (ref a, b, c, d, x[k+ 1], S21, 0xf61e2562); /**//* 17 */ 
174GG (ref d, a, b, c, x[k+ 6], S22, 0xc040b340); /**//* 18 */ 
175GG (ref c, d, a, b, x[k+11], S23, 0x265e5a51); /**//* 19 */ 
176GG (ref b, c, d, a, x[k+ 0], S24, 0xe9b6c7aa); /**//* 20 */ 
177GG (ref a, b, c, d, x[k+ 5], S21, 0xd62f105d); /**//* 21 */ 
178GG (ref d, a, b, c, x[k+10], S22, 0x2441453); /**//* 22 */ 
179GG (ref c, d, a, b, x[k+15], S23, 0xd8a1e681); /**//* 23 */ 
180GG (ref b, c, d, a, x[k+ 4], S24, 0xe7d3fbc8); /**//* 24 */ 
181GG (ref a, b, c, d, x[k+ 9], S21, 0x21e1cde6); /**//* 25 */ 
182GG (ref d, a, b, c, x[k+14], S22, 0xc33707d6); /**//* 26 */ 
183GG (ref c, d, a, b, x[k+ 3], S23, 0xf4d50d87); /**//* 27 */ 
184GG (ref b, c, d, a, x[k+ 8], S24, 0x455a14ed); /**//* 28 */ 
185GG (ref a, b, c, d, x[k+13], S21, 0xa9e3e905); /**//* 29 */ 
186GG (ref d, a, b, c, x[k+ 2], S22, 0xfcefa3f8); /**//* 30 */ 
187GG (ref c, d, a, b, x[k+ 7], S23, 0x676f02d9); /**//* 31 */ 
188GG (ref b, c, d, a, x[k+12], S24, 0x8d2a4c8a); /**//* 32 */ 
189
190/**//* Round 3 */ 
191HH (ref a, b, c, d, x[k+ 5], S31, 0xfffa3942); /**//* 33 */ 
192HH (ref d, a, b, c, x[k+ 8], S32, 0x8771f681); /**//* 34 */ 
193HH (ref c, d, a, b, x[k+11], S33, 0x6d9d6122); /**//* 35 */ 
194HH (ref b, c, d, a, x[k+14], S34, 0xfde5380c); /**//* 36 */ 
195HH (ref a, b, c, d, x[k+ 1], S31, 0xa4beea44); /**//* 37 */ 
196HH (ref d, a, b, c, x[k+ 4], S32, 0x4bdecfa9); /**//* 38 */ 
197HH (ref c, d, a, b, x[k+ 7], S33, 0xf6bb4b60); /**//* 39 */ 
198HH (ref b, c, d, a, x[k+10], S34, 0xbebfbc70); /**//* 40 */ 
199HH (ref a, b, c, d, x[k+13], S31, 0x289b7ec6); /**//* 41 */ 
200HH (ref d, a, b, c, x[k+ 0], S32, 0xeaa127fa); /**//* 42 */ 
201HH (ref c, d, a, b, x[k+ 3], S33, 0xd4ef3085); /**//* 43 */ 
202HH (ref b, c, d, a, x[k+ 6], S34, 0x4881d05); /**//* 44 */ 
203HH (ref a, b, c, d, x[k+ 9], S31, 0xd9d4d039); /**//* 45 */ 
204HH (ref d, a, b, c, x[k+12], S32, 0xe6db99e5); /**//* 46 */ 
205HH (ref c, d, a, b, x[k+15], S33, 0x1fa27cf8); /**//* 47 */ 
206HH (ref b, c, d, a, x[k+ 2], S34, 0xc4ac5665); /**//* 48 */ 
207
208/**//* Round 4 */ 
209II (ref a, b, c, d, x[k+ 0], S41, 0xf4292244); /**//* 49 */ 
210II (ref d, a, b, c, x[k+ 7], S42, 0x432aff97); /**//* 50 */ 
211II (ref c, d, a, b, x[k+14], S43, 0xab9423a7); /**//* 51 */ 
212II (ref b, c, d, a, x[k+ 5], S44, 0xfc93a039); /**//* 52 */ 
213II (ref a, b, c, d, x[k+12], S41, 0x655b59c3); /**//* 53 */ 
214II (ref d, a, b, c, x[k+ 3], S42, 0x8f0ccc92); /**//* 54 */ 
215II (ref c, d, a, b, x[k+10], S43, 0xffeff47d); /**//* 55 */ 
216II (ref b, c, d, a, x[k+ 1], S44, 0x85845dd1); /**//* 56 */ 
217II (ref a, b, c, d, x[k+ 8], S41, 0x6fa87e4f); /**//* 57 */ 
218II (ref d, a, b, c, x[k+15], S42, 0xfe2ce6e0); /**//* 58 */ 
219II (ref c, d, a, b, x[k+ 6], S43, 0xa3014314); /**//* 59 */ 
220II (ref b, c, d, a, x[k+13], S44, 0x4e0811a1); /**//* 60 */ 
221II (ref a, b, c, d, x[k+ 4], S41, 0xf7537e82); /**//* 61 */ 
222II (ref d, a, b, c, x[k+11], S42, 0xbd3af235); /**//* 62 */ 
223II (ref c, d, a, b, x[k+ 2], S43, 0x2ad7d2bb); /**//* 63 */ 
224II (ref b, c, d, a, x[k+ 9], S44, 0xeb86d391); /**//* 64 */ 
225
226A+=a; 
227B+=b; 
228C+=c; 
229D+=d; 
230} 
231return new UInt32[]{A,B,C,D}; 
232} 
233public static byte[] MD5Array(byte[] input){ 
234MD5_Init(); 
235UInt32[] block = MD5_Append(input); 
236UInt32[] bits = MD5_Trasform(block); 
237
238/**//* Encodes bits (UInt32[]) into output (byte[]). Assumes len is 
239* a multiple of 4. 
240*/ 
241byte[] output=new byte[bits.Length*4]; 
242for(int i=0,j=0;i<bits.Length;i++,j+=4){ 
243output[j] = (byte)(bits[i] & 0xff); 
244output[j+1] = (byte)((bits[i] >> 8) & 0xff); 
245output[j+2] = (byte)((bits[i] >> 16) & 0xff); 
246output[j+3] = (byte)((bits[i] >> 24) & 0xff); 
247} 
248return output; 
249} 
250
251public static string ArrayToHexString(byte[] array,bool uppercase){ 
252string hexString=""; 
253string format="x2"; 
254if(uppercase){ 
255format="X2"; 
256} 
257foreach(byte b in array){ 
258hexString += b.ToString(format); 
259} 
260return hexString; 
261} 
262
263public static string MDString(string message){ 
264char[] c = message.ToCharArray(); 
265byte[] b = new byte[c.Length]; 
266for(int i=0;i<c.Length;i++){ 
267b[i]=(byte)c[i]; 
268} 
269byte[] digest = MD5Array(b); 
270return ArrayToHexString(digest,false); 
271} 
272public static string MDFile(string fileName){ 
273FileStream fs=File.Open(fileName,FileMode.Open,FileAccess.Read); 
274byte[] array=new byte[fs.Length]; 
275fs.Read(array,0,(int)fs.Length); 
276byte[] digest = MD5Array(array); 
277fs.Close(); 
278return ArrayToHexString(digest,false); 
279} 
280
281public static string Test(string message){ 
282return "rnMD5 (""+message+"") = " + MD5.MDString(message); 
283} 
284public static string TestSuite(){ 
285string s = ""; 
286s+=Test(""); 
287s+=Test("a"); 
288s+=Test("abc"); 
289s+=Test("message digest"); 
290s+=Test("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"); 
291s+=Test("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789"); 
292s+=Test("12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890"); 
293return s; 
294} 
295}  
296

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