MD5加密概述，原理及实现

MD5概述：

MD5消息摘要算法，属Hash算法一类。MD5算法对输入任意长度的消息进行运行，产生一个128位的消息摘要(32位的数字字母混合码)。

MD5主要特点:

不可逆，相同数据的MD5值肯定一样，不同数据的MD5值不一样

(一个MD5理论上的确是可能对应无数多个原文的，因为MD5是有限多个的而原文可以是无数多个。比如主流使用的MD5将任意长度的“字节串映射为一个128bit的大整数。也就是一共有2^128种可能，大概是3.4*10^38，这个数字是有限多个的，而但是世界上可以被用来加密的原文则会有无数的可能性)

MD5的性质：

1、压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的(相当于超损压缩)。

2、容易计算：从原数据计算出MD5值很容易。

3、抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。

4、弱抗碰撞：已知原数据和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据（即伪造数据）是非常困难的。

5、强抗碰撞：想找到两个不同的数据，使它们具有相同的MD5值，是非常困难的。

虽说MD5有不可逆的特点

但是由于某些MD5破解网站，专门用来查询MD5码，其通过

把常用的密码先MD5处理，并将数据存储起来，然后跟需要查询的MD5结果匹配，这时就有可能通过匹配的MD5得到明文，所以有些简单的MD5码是反查到加密前原文的。

为了让MD5码更加安全，涌现了很多其他方法，如加盐。 盐要足够长足够乱 得到的MD5码就很难查到。

MD5用途：

1.防止被篡改：

1）比如发送一个电子文档，发送前，我先得到MD5的输出结果a。然后在对方收到电子文档后，对方也得到一个MD5的输出结果b。如果a与b一样就代表中途未被篡改。

2）比如我提供文件下载，为了防止不法分子在安装程序中添加木马，我可以在网站上公布由安装文件得到的MD5输出结果。

3）SVN在检测文件是否在CheckOut后被修改过，也是用到了MD5.

2.防止直接看到明文：

现在很多网站在数据库存储用户的密码的时候都是存储用户密码的MD5值。这样就算不法分子得到数据库的用户密码的MD5值，也无法知道用户的密码。（比如在UNIX系统中用户的密码就是以MD5（或其它类似的算法）经加密后存储在文件系统中。当用户登录的时候，系统把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和保存在文件系统中的MD5值进行比较，进而确定输入的密码是否正确。通过这样的步骤，系统在并不知道用户密码的明码的情况下就可以确定用户登录系统的合法性。这不但可以避免用户的密码被具有系统管理员权限的用户知道，而且还在一定程度上增加了密码被破解的难度。）

3.防止抵赖（数字签名）：

这需要一个第三方认证机构。例如A写了一个文件，认证机构对此文件用MD5算法产生摘要信息并做好记录。若以后A说这文件不是他写的，权威机构只需对此文件重新产生摘要信息，然后跟记录在册的摘要信息进行比对，相同的话，就证明是A写的了。这就是所谓的“数字签名”。

MD5加密算法原理及实现：

MD5算法原理：

1、数据填充

对消息进行数据填充，使消息的长度对512取模得448，设消息长度为X，即满足X mod 512=448。根据此公式得出需要填充的数据长度。

填充方法：在消息后面进行填充，填充第一位为1，其余为0。

(此时消息长度为N*512+448)

2、添加消息长度

在第一步结果之后再填充上原消息的长度，可用来进行的存储长度为64位。如果消息长度大于264，则只使用其低64位的值，即（消息长度 对 264取模）。

在此步骤进行完毕后，最终消息长度就是512的整数倍。

(此时消息长度为(N+1)*512 )

3、数据处理

首先需要用到4个常数：

四个32位变量初始化(经过研究所得，为固定值)

A = 0×01234567

B = 0×89ABCDEF

C = 0xFEDCBA98

D = 0×76543210  

它们称为链接变量（chaining variable）

以上为标准的幻数的（物理顺序）

如果在程序中(小端模式)定义应该是:

A = 0x67452301

B = 0xEFCDAB89

C = 0x98BADCFE

D = 0x10325476

然后需要用到4个非线性函数

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));

(&是与, |是或, ~是非, ^是异或)

然后是4种操作

FF(a,b,c,d,Mi,s,tj)  表示a=b+((a+(F(b,c,d)+Mi+tj)<<< s)

GG(a,b,c,d,Mi,s,tj) 表示 a=b+((a+(G(b,c,d)+Mi+tj)<<< s)

HH(a,b,c,d,Mi,s,tj) 表示 a=b+((a+(H(b,c,d)+Mi+tj)<<< s)

II(a,b,c,d,Mi,s,tj)   表示a=b+((a+(I(b,c,d)+Mi+tj)<<< s)

其中Mi表示消息的第i个子分组（从0到15，共16个），<<< s表示循环左移s位

常数tj为：

在第j步中，tj是4294967296*abs(sin(j))的整数部分，i的单位是弧度。

(4294967296是2的32次方)

亦可用 0x100000000UL * abs(sin((double)j)) 计算

x循环左移s位:

( s << x ) | ( s >> (32 - x) )

4.MD5运算:

由类似的64次循环构成，分成4轮，每轮16次。每轮使用FF，GG，HH，II中的一种操作；

一轮中，a,b,c,d的使用顺序轮转;

例如第一轮:

第一次计算 FF(a,b,c,d,M0,s,t1)

                   a = a+(F(b,c,d)+M0+t1);

                   a = ( s <> (32 - a) );

                   a = a + b;

第二次计算 FF(b,c,d,a,M1,s,t2)

                   b = b+(F(c,d,a)+M1+t2);

                   b = ( s <> (32 - b) );

                   b = b + c;

这4轮共64步是:

(初次使用的a,b,c,d为A,B,C,D的值，而Mi,s,tj根据下面的数值进行使用，可认为是常量，)

第一轮

FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478)

FF(d,a,b,c,M1,12,0xe8c7b756)

FF(c,d,a,b,M2,17,0×242070db)

FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee)

FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)

FF(d,a,b,c,M5,12,0×4787c62a)

FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613)

FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501)

FF(a,b,c,d,M8,7,0×698098d8)

FF(d,a,b,c,M9,12,0×8b44f7af)

FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1)

FF(b,c,d,a,M11,22,0×895cd7be)

FF(a,b,c,d,M12,7,0×6b901122)

FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193)

FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e)

FF(b,c,d,a,M15,22,0×49b40821)

第二轮

GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562)

GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340)

GG(c,d,a,b,M11,14,0×265e5a51)

GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa)

GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)

GG(d,a,b,c,M10,9,0×02441453)

GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681)

GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8)

GG(a,b,c,d,M9,5,0×21e1cde6)

GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6)

GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87)

GG(b,c,d,a,M8,20,0×455a14ed)

GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905)

GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8)

GG(c,d,a,b,M7,14,0×676f02d9)

GG(b,c,d,a,M12,20,0×8d2a4c8a)

第三轮

HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942)

HH(d,a,b,c,M8,11,0×8771f681)

HH(c,d,a,b,M11,16,0×6d9d6122)

HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c)

HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44)

HH(d,a,b,c,M4,11,0×4bdecfa9)

HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60)

HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70)

HH(a,b,c,d,M13,4,0×289b7ec6)

HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa)

HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085)

HH(b,c,d,a,M6,23,0×04881d05)

HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039)

HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5)

HH(c,d,a,b,M15,16,0×1fa27cf8)

HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665)

第四轮

II(a,b,c,d,M0,6,0xf4292244)

II(d,a,b,c,M7,10,0×432aff97)

II(c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7)

II(b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039)

II(a,b,c,d,M12,6,0×655b59c3)

II(d,a,b,c,M3,10,0×8f0ccc92)

II(c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d)

II(b,c,d,a,M1,21,0×85845dd1)

II(a,b,c,d,M8,6,0×6fa87e4f)

II(d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0)

II(c,d,a,b,M6,15,0xa3014314)

II(b,c,d,a,M13,21,0×4e0811a1)

II(a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82)

II(d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235)

II(c,d,a,b,M2,15,0×2ad7d2bb)

II(b,c,d,a,M9,21,0xeb86d391)

消息分以512位为一分组进行处理，每一个分组进行上述4轮共64次计算后，将A，B，C，D分别加上计算得到的a，b，c，d。当做新的A，B，C，D，并将这4个变量赋值给a,b,c,d再进行下一分组的运算。由于填充后的消息长度为(N+1)*512，则共需计算N+1个分组。计算所有数据分组后，这4个变量为最后的结果，即MD5值。