消息(message)被称为明文(plaintext)。用某种方法伪装消息以隐藏它的内容的过程称为加密(encryption),被加密的消息成为密文(ciphertext),而把密文转变为明文的过程称为解密(decryption)。
信息加密解密过程
算法和密钥
密码算法是用于加密和解密的数学函数。通常有加密和解密两个相关的函数。
如果算法(algorighm)的保密性是基于保持算法的秘密,这种算法被称为爱限制的算法。在低密级的应用中还是会采用算法级的保密性。
现代密码学采用密钥(key)解决了这个问题。密钥通常成对使用,即加密密钥和解密密钥。加密密钥和解密密钥可能相同也可能不同。密码系统由算法以及所有可能的明文、密文和密钥组成。
现代密码系统组成
基于密钥的算法通常有两类:对称算法和公开密钥算法。
对称算法有时又叫传统密码算法,就是加密密钥能够从解密密钥中推算出来,反过来也成立。在大多数对称算法中,加密密钥和解密密钥是相同的。
公开密钥算法是这样设计的:加密密钥和解密密钥不同,而且解密密钥不能根据加密密钥计算出来(至少在合理假定的长时间内)。之所以叫做公开密钥算法,是因为加密密钥能够公开,即发送者能用加密密钥加密信息,但只有用相应的解密密钥才能解密信息。在这些系统中,加密密钥叫做公开密钥,解密密钥叫做私人密钥。
MD5算法(message-digest algorithm 5,信息——摘要算法)
MD5是在20世纪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发展而来的。
它的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密匙前被“压缩”成一种保密的格式(就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的大整数)。
MD5算法原理
概述
MD5算法是一种消息摘要算法(Message Digest Algorithm),此算法以任意长度的信息(message)作为输入进行计算,产生一个128-bit(16-byte)的指纹或报文摘要(fingerprint
or message digest)。两个不同的message产生相同message digest的几率相当小,从一个给定的message digest逆向产生原始message更是困难。
MD5是一种公开密钥的算法,单向函数(one way function)的概念是公开密钥的中心。
单向函数计算起来相对容易,但求逆非常困难。也就是说,已知x,我们很容易计算出f(x)。但已知f(x),却很难计算出x。打碎盘子就是一个很好的单向函数的例子。
MD5算法的应用
MD5算法是单向的,在网络游戏中的应用主要体现在以下两个方面。
(1)游戏账号的密码保护
用单向加密算法加密后的密码存放在数据库中,即使有人得到了数据库中的数据,想利用密文密码恢复成明文密码几乎是不可能的。而用户再次登录过程中输入的密码经过加密运算后,生成的密文密码和数据库中存储的密文密码一致,则说明用户再次输入的密码明文是和注册时的密码明文一致的。
(2)自动更新
MD5可以把一个文件当做大文本信息,通过算法变换,产生唯一的MD5信息摘要。以后传播文件过程中,无论文件的内容发生了任何形式的变化,只要重新计算文件的MD5值,就会发现是不同的,由此可以决定文件是否需要更新。
MD5算法的实现
md5.h
#ifndef MD5_H #define MD5_H #include <string> #include <fstream> /* Type define */ typedef unsigned char byte; typedef unsigned int uint32; using std::string; using std::ifstream; /* MD5 declaration. */ class MD5 { public: MD5(); MD5(const void* input, size_t length); MD5(const string& str); MD5(ifstream& in); void update(const void* input, size_t length); void update(const string& str); void update(ifstream& in); const byte* digest(); string toString(); void reset(); private: void update(const byte* input, size_t length); void final(); void transform(const byte block[64]); void encode(const uint32* input, byte* output, size_t length); void decode(const byte* input, uint32* output, size_t length); string bytesToHexString(const byte* input, size_t length); /* class uncopyable */ MD5(const MD5&); MD5& operator=(const MD5&); private: uint32 _state[4]; /* state (ABCD) */ uint32 _count[2]; /* number of bits, modulo 2^64 (low-order word first) */ byte _buffer[64]; /* input buffer */ byte _digest[16]; /* message digest */ bool _finished; /* calculate finished ? */ static const byte PADDING[64]; /* padding for calculate */ static const char HEX[16]; enum { BUFFER_SIZE = 1024 }; }; #endif /*MD5_H*/
#include "md5.h" using namespace std; /* Constants for MD5Transform routine. */ #define S11 7 #define S12 12 #define S13 17 #define S14 22 #define S21 5 #define S22 9 #define S23 14 #define S24 20 #define S31 4 #define S32 11 #define S33 16 #define S34 23 #define S41 6 #define S42 10 #define S43 15 #define S44 21 /* F, G, H and I are basic MD5 functions. */ #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))) /* ROTATE_LEFT rotates x left n bits. */ #define ROTATE_LEFT(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n)))) /* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4. Rotation is separate from addition to prevent recomputation. */ #define FF(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += F ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define GG(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += G ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define HH(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += H ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define II(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += I ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } const byte MD5::PADDING[64] = { 0x80 }; const char MD5::HEX[16] = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' }; /* Default construct. */ MD5::MD5() { reset(); } /* Construct a MD5 object with a input buffer. */ MD5::MD5(const void* input, size_t length) { reset(); update(input, length); } /* Construct a MD5 object with a string. */ MD5::MD5(const string& str) { reset(); update(str); } /* Construct a MD5 object with a file. */ MD5::MD5(ifstream& in) { reset(); update(in); } /* Return the message-digest */ const byte* MD5::digest() { if (!_finished) { _finished = true; final(); } return _digest; } /* Reset the calculate state */ void MD5::reset() { _finished = false; /* reset number of bits. */ _count[0] = _count[1] = 0; /* Load magic initialization constants. */ _state[0] = 0x67452301; _state[1] = 0xefcdab89; _state[2] = 0x98badcfe; _state[3] = 0x10325476; } /* Updating the context with a input buffer. */ void MD5::update(const void* input, size_t length) { update((const byte*)input, length); } /* Updating the context with a string. */ void MD5::update(const string& str) { update((const byte*)str.c_str(), str.length()); } /* Updating the context with a file. */ void MD5::update(ifstream& in) { if (!in) { return; } std::streamsize length; char buffer[BUFFER_SIZE]; while (!in.eof()) { in.read(buffer, BUFFER_SIZE); length = in.gcount(); if (length > 0) { update(buffer, length); } } in.close(); } /* MD5 block update operation. Continues an MD5 message-digest operation, processing another message block, and updating the context. */ void MD5::update(const byte* input, size_t length) { uint32 i, index, partLen; _finished = false; /* Compute number of bytes mod 64 */ index = (uint32)((_count[0] >> 3) & 0x3f); /* update number of bits */ if ((_count[0] += ((uint32)length << 3)) < ((uint32)length << 3)) { ++_count[1]; } _count[1] += ((uint32)length >> 29); partLen = 64 - index; /* transform as many times as possible. */ if (length >= partLen) { memcpy(&_buffer[index], input, partLen); transform(_buffer); for (i = partLen; i + 63 < length; i += 64) { transform(&input[i]); } index = 0; } else { i = 0; } /* Buffer remaining input */ memcpy(&_buffer[index], &input[i], length - i); } /* MD5 finalization. Ends an MD5 message-_digest operation, writing the the message _digest and zeroizing the context. */ void MD5::final() { byte bits[8]; uint32 oldState[4]; uint32 oldCount[2]; uint32 index, padLen; /* Save current state and count. */ memcpy(oldState, _state, 16); memcpy(oldCount, _count, 8); /* Save number of bits */ encode(_count, bits, 8); /* Pad out to 56 mod 64. */ index = (uint32)((_count[0] >> 3) & 0x3f); padLen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index); update(PADDING, padLen); /* Append length (before padding) */ update(bits, 8); /* Store state in digest */ encode(_state, _digest, 16); /* Restore current state and count. */ memcpy(_state, oldState, 16); memcpy(_count, oldCount, 8); } /* MD5 basic transformation. Transforms _state based on block. */ void MD5::transform(const byte block[64]) { uint32 a = _state[0], b = _state[1], c = _state[2], d = _state[3], x[16]; decode(block, x, 64); /* Round 1 */ FF (a, b, c, d, x[ 0], S11, 0xd76aa478); /* 1 */ FF (d, a, b, c, x[ 1], S12, 0xe8c7b756); /* 2 */ FF (c, d, a, b, x[ 2], S13, 0x242070db); /* 3 */ FF (b, c, d, a, x[ 3], S14, 0xc1bdceee); /* 4 */ FF (a, b, c, d, x[ 4], S11, 0xf57c0faf); /* 5 */ FF (d, a, b, c, x[ 5], S12, 0x4787c62a); /* 6 */ FF (c, d, a, b, x[ 6], S13, 0xa8304613); /* 7 */ FF (b, c, d, a, x[ 7], S14, 0xfd469501); /* 8 */ FF (a, b, c, d, x[ 8], S11, 0x698098d8); /* 9 */ FF (d, a, b, c, x[ 9], S12, 0x8b44f7af); /* 10 */ FF (c, d, a, b, x[10], S13, 0xffff5bb1); /* 11 */ FF (b, c, d, a, x[11], S14, 0x895cd7be); /* 12 */ FF (a, b, c, d, x[12], S11, 0x6b901122); /* 13 */ FF (d, a, b, c, x[13], S12, 0xfd987193); /* 14 */ FF (c, d, a, b, x[14], S13, 0xa679438e); /* 15 */ FF (b, c, d, a, x[15], S14, 0x49b40821); /* 16 */ /* Round 2 */ GG (a, b, c, d, x[ 1], S21, 0xf61e2562); /* 17 */ GG (d, a, b, c, x[ 6], S22, 0xc040b340); /* 18 */ GG (c, d, a, b, x[11], S23, 0x265e5a51); /* 19 */ GG (b, c, d, a, x[ 0], S24, 0xe9b6c7aa); /* 20 */ GG (a, b, c, d, x[ 5], S21, 0xd62f105d); /* 21 */ GG (d, a, b, c, x[10], S22, 0x2441453); /* 22 */ GG (c, d, a, b, x[15], S23, 0xd8a1e681); /* 23 */ GG (b, c, d, a, x[ 4], S24, 0xe7d3fbc8); /* 24 */ GG (a, b, c, d, x[ 9], S21, 0x21e1cde6); /* 25 */ GG (d, a, b, c, x[14], S22, 0xc33707d6); /* 26 */ GG (c, d, a, b, x[ 3], S23, 0xf4d50d87); /* 27 */ GG (b, c, d, a, x[ 8], S24, 0x455a14ed); /* 28 */ GG (a, b, c, d, x[13], S21, 0xa9e3e905); /* 29 */ GG (d, a, b, c, x[ 2], S22, 0xfcefa3f8); /* 30 */ GG (c, d, a, b, x[ 7], S23, 0x676f02d9); /* 31 */ GG (b, c, d, a, x[12], S24, 0x8d2a4c8a); /* 32 */ /* Round 3 */ HH (a, b, c, d, x[ 5], S31, 0xfffa3942); /* 33 */ HH (d, a, b, c, x[ 8], S32, 0x8771f681); /* 34 */ HH (c, d, a, b, x[11], S33, 0x6d9d6122); /* 35 */ HH (b, c, d, a, x[14], S34, 0xfde5380c); /* 36 */ HH (a, b, c, d, x[ 1], S31, 0xa4beea44); /* 37 */ HH (d, a, b, c, x[ 4], S32, 0x4bdecfa9); /* 38 */ HH (c, d, a, b, x[ 7], S33, 0xf6bb4b60); /* 39 */ HH (b, c, d, a, x[10], S34, 0xbebfbc70); /* 40 */ HH (a, b, c, d, x[13], S31, 0x289b7ec6); /* 41 */ HH (d, a, b, c, x[ 0], S32, 0xeaa127fa); /* 42 */ HH (c, d, a, b, x[ 3], S33, 0xd4ef3085); /* 43 */ HH (b, c, d, a, x[ 6], S34, 0x4881d05); /* 44 */ HH (a, b, c, d, x[ 9], S31, 0xd9d4d039); /* 45 */ HH (d, a, b, c, x[12], S32, 0xe6db99e5); /* 46 */ HH (c, d, a, b, x[15], S33, 0x1fa27cf8); /* 47 */ HH (b, c, d, a, x[ 2], S34, 0xc4ac5665); /* 48 */ /* Round 4 */ II (a, b, c, d, x[ 0], S41, 0xf4292244); /* 49 */ II (d, a, b, c, x[ 7], S42, 0x432aff97); /* 50 */ II (c, d, a, b, x[14], S43, 0xab9423a7); /* 51 */ II (b, c, d, a, x[ 5], S44, 0xfc93a039); /* 52 */ II (a, b, c, d, x[12], S41, 0x655b59c3); /* 53 */ II (d, a, b, c, x[ 3], S42, 0x8f0ccc92); /* 54 */ II (c, d, a, b, x[10], S43, 0xffeff47d); /* 55 */ II (b, c, d, a, x[ 1], S44, 0x85845dd1); /* 56 */ II (a, b, c, d, x[ 8], S41, 0x6fa87e4f); /* 57 */ II (d, a, b, c, x[15], S42, 0xfe2ce6e0); /* 58 */ II (c, d, a, b, x[ 6], S43, 0xa3014314); /* 59 */ II (b, c, d, a, x[13], S44, 0x4e0811a1); /* 60 */ II (a, b, c, d, x[ 4], S41, 0xf7537e82); /* 61 */ II (d, a, b, c, x[11], S42, 0xbd3af235); /* 62 */ II (c, d, a, b, x[ 2], S43, 0x2ad7d2bb); /* 63 */ II (b, c, d, a, x[ 9], S44, 0xeb86d391); /* 64 */ _state[0] += a; _state[1] += b; _state[2] += c; _state[3] += d; } /* Encodes input (ulong) into output (byte). Assumes length is a multiple of 4. */ void MD5::encode(const uint32* input, byte* output, size_t length) { for (size_t i = 0, j = 0; j < length; ++i, j += 4) { output[j]= (byte)(input[i] & 0xff); output[j + 1] = (byte)((input[i] >> 8) & 0xff); output[j + 2] = (byte)((input[i] >> 16) & 0xff); output[j + 3] = (byte)((input[i] >> 24) & 0xff); } } /* Decodes input (byte) into output (ulong). Assumes length is a multiple of 4. */ void MD5::decode(const byte* input, uint32* output, size_t length) { for (size_t i = 0, j = 0; j < length; ++i, j += 4) { output[i] = ((uint32)input[j]) | (((uint32)input[j + 1]) << 8) | (((uint32)input[j + 2]) << 16) | (((uint32)input[j + 3]) << 24); } } /* Convert byte array to hex string. */ string MD5::bytesToHexString(const byte* input, size_t length) { string str; str.reserve(length << 1); for (size_t i = 0; i < length; ++i) { int t = input[i]; int a = t / 16; int b = t % 16; str.append(1, HEX[a]); str.append(1, HEX[b]); } return str; } /* Convert digest to string value */ string MD5::toString() { return bytesToHexString(digest(), 16); }
#include "md5.h" #include <iostream> using namespace std; void PrintMD5(const string& str, MD5& md5) { cout << "MD5(\"" << str << "\") = " << md5.toString() << endl; } string FileDigest(const string& file) { ifstream in(file.c_str(), ios::binary); if (!in) { return ""; } MD5 md5; std::streamsize length; char buffer[1024]; while (!in.eof()) { in.read(buffer, 1024); length = in.gcount(); if (length > 0) { md5.update(buffer, length); } } in.close(); return md5.toString(); } int main() { //cout << MD5("abc").toString() << endl; //cout << MD5(ifstream("D:\\test.txt")).toString() << endl; //cout << MD5(ifstream("D:\\test.exe", ios::binary)).toString() << endl; //cout << FileDigest("D:\\test.exe") << endl; MD5 md5; md5.update(""); PrintMD5("", md5); md5.update("a"); PrintMD5("a", md5); md5.update("bc"); PrintMD5("abc", md5); md5.update("defghijklmnopqrstuvwxyz"); PrintMD5("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz", md5); md5.reset(); md5.update("message digest"); PrintMD5("message digest", md5); //md5.reset(); //md5.update(ifstream("D:\\test.txt")); //PrintMD5("D:\\test.txt", md5); while(1); return 0; }
位操作
数据在计算机里以二进制“0”“1”的形式存储,大部分的密码算法都是在位运算的基础上进行的,需要直接对二进制位进行操作。与其它高级语言相比,位运算是C语言的特点之一。
参考资料:
《网络游戏服务器端编程》第四章
MD5算法的C++实现:http://www.cppblog.com/ant/archive/2007/09/11/31886.html