2.Java 加解密技术系列之 MD5

Java 加解密技术系列之 MD5

• 序
• 背景
• 正文
• 结束语

序

上一篇文章中，介绍了最基础的编码方式 — —
BASE64，也简单的提了一下编码的原理。这篇文章继续加解密的系列，当然也是介绍比较基础的加密方式 — — MD5，MD5 属于单向加密算法，是不可逆的加密方式，也就是说，采用了 MD5 加密方式加密之后，就不能对加密的结果进行解密，得到原有的字符串，这是不可以的。

背景

相信在我们的生活
中，MD5 用到的还是很广泛的。在说 MD5 之前，首先来了解一下单向加密算法都有哪些。当然，MD5 是其中之一，除此之外还有，SHA，HMAC
等这几种算法。不过，今天这篇文章，我们只介绍 MD5，至于 SHA 和 HMAC 在后续的文章中会陆续的介绍。

正文

MD5，全称为
“Message Digest Algorithm
5”，中文名“消息摘要算法第五版”，它是计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。严格来说，它是一种摘要算法，是确保信息完
整性的。不过，在某种意义上来说，也可以算作一种加密算法。

MD5 算法具有很多特点：

MD5 的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被"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十六进制数字串）。

MD5
其实在我们生活中是很常用的，似乎你并没有注意到，当你下载了一个镜像之后，你会发现下载页面还提供了一组 MD5 值，那么这组 MD5
值是用来做什么的呢？了解了 MD5 的作用之后，你就不难想到，MD5 是用来验证文件的一致性的，当你下载好镜像之后，你需要对该镜像做一次 MD5
的校验，得到的 MD5 值与下载页面提供的 MD5 值进行对比，以此来验证该镜像是否被篡改。

为什么 MD5 就可以进行一致性校验呢？

其实，MD5 就和人的指纹一样，每个人的指纹都是唯一的，而文件的 MD5 值也是唯一的。至于为什么会这样呢？下面我们看一下 MD5 的工作原理。

对 MD5 算法简要的叙述可以为：MD5 以 512 位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为 16 个 32 位子分组，经过了一系列的处理后，算法的输出由四个 32 位分组组成，将这四个 32 位分组级联后将生成一个 128 位散列值。

总体流程如下图所示， 表示第 i 个分组，每次的运算都由前一轮的 128 位结果值和第 i 块 512 bit 值进行运算。

填充

在 MD5
算法中，首先需要对信息进行填充，使其位长对 512 求余的结果等于 448，并且填充必须进行，即使其位长对 512 求余的结果等于
448。因此，信息的位长（Bits Length）将被扩展至 N * 512 + 448，N 为一个非负整数，N 可以是零。

填充的方法如下：

1) 在信息的后面填充一个 1 和无数个 0，直到满足上面的条件时才停止用 0 对信息的填充。

2) 在这个结果后面附加一个以 64 位二进制表示的填充前信息长度（单位为Bit），如果二 进制表示的填充前信息长度超过 64 位，则取低 64 位。

经过这两步的处理，信息的位长 = N * 512 + 448 + 64 = （N + 1）* 512，即长度恰好是 512 的整数倍。这样做的原因是为满足后面处理中对信息长度的要求。

初始化变量

初始的 128 位值为初试链接变量，这些参数用于第一轮的运算，以大端字节序来表示，他们分别为： A = 0x01234567，B = 0x89ABCDEF，C = 0xFEDCBA98，D = 0x76543210。

（每一个变量给出的数值是高字节存于内存低地址，低字节存于内存高地址，即大端字节序。在程序中变量 A、B、C、D 的值分别为0x67452301，0xEFCDAB89，0x98BADCFE，0x10325476）

处理分组数据

每一分组的算法流程如下：

第一分组需要将上面四个链接变量复制到另外四个变量中：A 到 a，B 到 b，C 到 c，D 到 d。从第二分组开始的变量为上一分组的运算结果，即 A = a， B = b， C = c， D = d。

主
循环有四轮，每轮循环都很相似。第一轮进行 16 次操作。每次操作对 a、b、c 和 d
中的其中三个作一次非线性函数运算，然后将所得结果加上第四个变量，文本的一个子分组和一个常数。再将所得结果向左环移一个不定的数，并加上 a、b、c
或 d 中之一。最后用该结果取代 a、b、c
或 d 中之一。

输出

最后的输出是 a、b、c 和 d 的级联。

代码

这里提供一个 Java 版本的实现，不过需要说明的一点是，这个 Java 实现对于英文的 MD5 是没有问题的，但对于中文会有点问题，因此，推荐只作为学习为目的来参考。如果是项目中的生产需要，请选择 jdk 中自带的 MD5 加密函数。

public class MD5 {
    /**
     * 单例
     */
    private static MD5 instance;  

    /**
     * 四个链接变量
     */
    private final int A = 0x67452301;
    private final int B = 0xefcdab89;
    private final int C = 0x98badcfe;
    private final int D = 0x10325476;  

    /**
     * ABCD的临时变量
     */
    private int Atemp;
    private int Btemp;
    private int Ctemp;
    private int Dtemp;  

    /**
     * 常量ti
     * 公式:floor(abs(sin(i+1))×(2pow32)
     */
    private final 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,计算方法未知
     */
    private final 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
    };  

    /**
     * 私有构造函数
     */
    private MD5() {  

    }  

    /**
     * 单例模式
     * @return
     */
    public static MD5 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new MD5();
        }
        return instance;
    }  

    /**
     * 初始化函数
     */
    private void init() {
        Atemp = A;
        Btemp = B;
        Ctemp = C;
        Dtemp = D;
    }  

    /**
     * 移动一定位数
     * @param a
     * @param s
     * @return
     */
    private int shift(int a, int s) {
        return (a << s) | (a >>> (32 - s)); // 右移的时候，高位一定要补零，而不是补充符号位
    }  

    /**
     * 主循环
     * @param M
     */
    private void mainLoop(int[] M) {
        int F;
        int g;
        int a = Atemp;
        int b = Btemp;
        int c = Ctemp;
        int d = Dtemp;  

        for (int i = 0; i < 64; i++) {
            if (i < 16) {
                F = (b & c) | ((~b) & d);
                g = i;
            }else if (i < 32) {
                F = (d & b) | ((~d) & c);
                g = (5 * i + 1) % 16;
            }else if (i < 48) {
                F = b ^ c ^ d;
                g = (3 * i + 5) % 16;
            } else {
                F = c ^ (b | (~d));
                g = (7 * i) % 16;
            }  

            int tmp = d;
            d = c;
            c = b;
            b = b + shift(a + F + K[i] + M[g], s[i]);
            a = tmp;
        }  

        Atemp += a;
        Btemp += b;
        Ctemp += c;
        Dtemp += d;
    }  

    /**
     * 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0,其它位补零
     * 最后加上64位的原来长度
     * @param str
     * @return
     */
    private int[] add(String str) {
        int num = ((str.length() + 8) / 64) + 1;    // 以512位，64个字节为一组
        int[] strByte = new int[num * 16];  // 64/4=16，所以有16个整数  

        for (int i = 0; i < num * 16; i++) {
            // 全部初始化为0
            strByte[i] = 0;
        }  

        int j;
        for (j = 0; j < str.length(); j++) {
            strByte[j >> 2] |= str.charAt(j) << ((j % 4) * 8);  // 一个整数存储四个字节，小端序
        }
        strByte[j >> 2] |= 0x80 << ((j % 4) * 8);   // 尾部添加1  

        // 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;
    }  

    /**
     * 调用函数
     * @param source 原始字符串
     * @return
     */
    public String getMD5(String source) {
        // 初始化
        init();
        int[] strByte = add(source);
        for (int i = 0; i < strByte.length / 16; i += 16) {
            int[] num = new int[16];
            for (int j = 0; j < 16; j++) {
                num[j] = strByte[i * 16 + j];
            }
            mainLoop(num);
        }
        return changeHex(Atemp) + changeHex(Btemp) + changeHex(Ctemp) + changeHex(Dtemp);
    }  

    /**
     * 整数变成16进制字符串
     * @param a 整数
     * @return
     */
    private String changeHex(int a) {
        String str="";
        String tmp = "";
        for(int i=0;i<4;i++) {
            tmp = Integer.toHexString(((a >> i * 8) % (1 << 8)) & 0xff);
            if (tmp.length() < 2) {
                tmp = "0" + tmp;
            }
            str += tmp;
        }
        return str;
    }  

    /**
     * 测试方法
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        String str = MD5.getInstance().getMD5("");
        String str1 = MD5.getInstance().getMD5("123");
        System.out.println(str);
        System.out.println("d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e");
        System.out.println(str1);
        System.out.println("202cb962ac59075b964b07152d234b70");
    }
}

结束语

或许你经常见到
MD5，但你从来没有注意过，到底什么才是 MD5。也或许你知道什么是 MD5，但或许你并不了解 MD5
是作何用的。那么，从今天起，从你读完这篇博客起，我相信，以后再见到 MD5 的时候，你肯定会对它印象深刻，再下载文件的时候，也会对它进行 MD5
的一致性校验。那么，我就可以说，我的这篇文章还是起到了一丁点的作用。