MD5加密详解

MD5加密详解

　引言：

　　我在百度百科上查找到了关于MD5的介绍，我从中摘要一些重要信息：

　　Message Digest Algorithm MD5（中文名为信息摘要算法第五版）为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。

　　MD4算法同样需要填补信息以确保信息的比特位长度减去448后能被512整除（信息比特位长度mod 512 = 448）。然后，一个以64位二进制表示的信息的最初长度被添加进来。信息被处理成512位damg?rd/merkle迭代结构的区块，而且每个区块要通过三个不同步骤的处理。

　　1991年，Rivest开发出技术上更为趋近成熟的MD5算法。它在MD4的基础上增加了"安全-带子"（safety-belts）的概念。虽然MD5比MD4复杂度大一些，但却更为安全。这个算法很明显的由四个和MD4设计有少许不同的步骤组成。在MD5算法中，信息-摘要的大小和填充的必要条件与MD4完全相同。

　　算法描述：

　　　　算法简单描述：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。

　　　　算法详细描述：

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。因此，信息的位长（Bits Length）将被扩展至N*+，N为一个非负整数，N可以是零。填充的方法如下，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。然后，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。经过这两步的处理，信息的位长=N*++=(N+）*，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。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512bit值进行运算。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=0x67452301，B=0xefcdab89，C=0x98badcfe，D=0x10325476。
MD5算法的整体流程图

MD5算法的整体流程图[]
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。
主循环有四轮（MD4只有三轮），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。
以下是每次操作中用到的四个非线性函数（每轮一个）。
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）
这四个函数的说明：如果X、Y和Z的对应位是独立和均匀的，那么结果的每一位也应是独立和均匀的。
F是一个逐位运算的函数。即，如果X，那么Y，否则Z。函数H是逐位奇偶操作符。
假设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），常数ti是4294967296*abs(sin(i)）的整数部分，i取值从1到64，单位是弧度。（4294967296等于2的32次方）
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)
这四轮（64步）是：
第一轮
FF(a,b,c,d,M0,,0xd76aa478）
FF(d,a,b,c,M1,,0xe8c7b756）
FF(c,d,a,b,M2,,0x242070db)
FF(b,c,d,a,M3,,0xc1bdceee)
FF(a,b,c,d,M4,,0xf57c0faf)
FF(d,a,b,c,M5,,0x4787c62a)
FF(c,d,a,b,M6,,0xa8304613）
FF(b,c,d,a,M7,,0xfd469501）
FF(a,b,c,d,M8,,0x698098d8）
FF(d,a,b,c,M9,,0x8b44f7af)
FF(c,d,a,b,M10,,0xffff5bb1）
FF(b,c,d,a,M11,,0x895cd7be)
FF(a,b,c,d,M12,,0x6b901122）
FF(d,a,b,c,M13,,0xfd987193）
FF(c,d,a,b,M14,,0xa679438e)
FF(b,c,d,a,M15,,0x49b40821）
第二轮
GG(a,b,c,d,M1,,0xf61e2562）
GG(d,a,b,c,M6,,0xc040b340）
GG(c,d,a,b,M11,,0x265e5a51）
GG(b,c,d,a,M0,,0xe9b6c7aa)
GG(a,b,c,d,M5,,0xd62f105d)
GG(d,a,b,c,M10,,0x02441453）
GG(c,d,a,b,M15,,0xd8a1e681）
GG(b,c,d,a,M4,,0xe7d3fbc8）
GG(a,b,c,d,M9,,0x21e1cde6）
GG(d,a,b,c,M14,,0xc33707d6）
GG(c,d,a,b,M3,,0xf4d50d87）
GG(b,c,d,a,M8,,0x455a14ed)
GG(a,b,c,d,M13,,0xa9e3e905）
GG(d,a,b,c,M2,,0xfcefa3f8）
GG(c,d,a,b,M7,,0x676f02d9）
GG(b,c,d,a,M12,,0x8d2a4c8a)
第三轮
HH(a,b,c,d,M5,,0xfffa3942）
HH(d,a,b,c,M8,,0x8771f681）
HH(c,d,a,b,M11,,0x6d9d6122）
HH(b,c,d,a,M14,,0xfde5380c)
HH(a,b,c,d,M1,,0xa4beea44）
HH(d,a,b,c,M4,,0x4bdecfa9）
HH(c,d,a,b,M7,,0xf6bb4b60）
HH(b,c,d,a,M10,,0xbebfbc70）
HH(a,b,c,d,M13,,0x289b7ec6）
HH(d,a,b,c,M0,,0xeaa127fa)
HH(c,d,a,b,M3,,0xd4ef3085）
HH(b,c,d,a,M6,,0x04881d05）
HH(a,b,c,d,M9,,0xd9d4d039）
HH(d,a,b,c,M12,,0xe6db99e5）
HH(c,d,a,b,M15,,0x1fa27cf8）
HH(b,c,d,a,M2,,0xc4ac5665）
第四轮
Ⅱ（a,b,c,d,M0,,0xf4292244）
Ⅱ（d,a,b,c,M7,,0x432aff97）
Ⅱ（c,d,a,b,M14,,0xab9423a7）
Ⅱ（b,c,d,a,M5,,0xfc93a039）
Ⅱ（a,b,c,d,M12,,0x655b59c3）
Ⅱ（d,a,b,c,M3,,0x8f0ccc92）
Ⅱ（c,d,a,b,M10,,0xffeff47d)
Ⅱ（b,c,d,a,M1,,0x85845dd1）
Ⅱ（a,b,c,d,M8,,0x6fa87e4f)
Ⅱ（d,a,b,c,M15,,0xfe2ce6e0)
Ⅱ（c,d,a,b,M6,,0xa3014314）
Ⅱ（b,c,d,a,M13,,0x4e0811a1）
Ⅱ（a,b,c,d,M4,,0xf7537e82）
Ⅱ（d,a,b,c,M11,,0xbd3af235）
Ⅱ（c,d,a,b,M2,,0x2ad7d2bb)
Ⅱ（b,c,d,a,M9,,0xeb86d391）
所有这些完成之后，将A、B、C、D分别加上a、b、c、d。然后用下一分组数据继续运行算法，最后的输出是A、B、C和D的级联。

　　以上就是MD5的全部介绍了，但是我在测试时，百度上的4个32位初始值有问题，我再从维基百科上找了一下。经测试，维基百科上给的初始值是正确的。上面的算法详细描述中我也已经改过了这四个初始值。

MD5 C++ 算法库：

<***此文件为 MD5.h ***>
#ifndef MD5_H
#define MD5_H

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <fstream>
#include <stdio.h>
/* Type define */
typedef unsigned char byte;
typedef unsigned long ulong;

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 PrintMD5(const string &str, MD5 &md5);//打印MD5值
    void update(const void *input, size_t length);//以下几个update函数以连接的方式加入进来
    void update(const string &str);
    void update(ifstream &in);
    const byte* digest();
    string toString();
    void reset();//进行初始化
private:
    void update(const byte *input, size_t length);
    void final();
    void transform(const byte block[]);
    void encode(const ulong *input, byte *output, size_t length);
    void decode(const byte *input, ulong *output, size_t length);//转换成16进制
    string bytesToHexString(const byte *input, size_t length);

    /* class uncopyable */
    MD5(const MD5&);
    MD5& operator=(const MD5&);
private:
    ulong _state[];    /* state (ABCD) */
    ulong _count[];    /* number of bits, modulo 2^64 (low-order word first) */
    byte _buffer[];    /* input buffer */
    byte _digest[];    /* message digest */
    bool _finished;        /* calculate finished ? */

    static const byte PADDING[];    /* padding for calculate */
    static const char HEX[];
    static const size_t BUFFER_SIZE = ;
};

#endif/*MD5_H*/

<***此为MD5.cpp 文件***>
#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[] = { 0x80 };
const char MD5::HEX[] = {
    '', '', '', '',
    '', '', '', '',
    '', '', '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[] = _count[] = ;
    /* Load magic initialization constants. */
    _state[] = 0x67452301;
    _state[] = 0xefcdab89;
    _state[] = 0x98badcfe;
    _state[] = 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 > )
            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) {

    ulong i, index, partLen;

    _finished = false;

    /* Compute number of bytes mod 64 */
    index = (ulong)((_count[] >> ) & 0x3f);

    /* update number of bits */
    if((_count[] += ((ulong)length << )) < ((ulong)length << ))
        _count[]++;
    _count[] += ((ulong)length >> );

    partLen =  - index;

    /* transform as many times as possible. */
    if(length >= partLen) {

        memcpy(&_buffer[index], input, partLen);
        transform(_buffer);

        for (i = partLen; i +  < length; i += )
            transform(&input[i]);
        index = ;

    } else {
        i = ;
    }

    /* 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[];
    ulong oldState[];
    ulong oldCount[];
    ulong index, padLen;

    /* Save current state and count. */
    memcpy(oldState, _state, );
    memcpy(oldCount, _count, );

    /* Save number of bits */
    encode(_count, bits, );

    /* Pad out to 56 mod 64. */
    index = (ulong)((_count[] >> ) & 0x3f);
    padLen = (index < ) ? ( - index) : ( - index);
    update(PADDING, padLen);

    /* Append length (before padding) */
    update(bits, );

    /* Store state in digest */
    encode(_state, _digest, );

    /* Restore current state and count. */
    memcpy(_state, oldState, );
    memcpy(_count, oldCount, );
}

/* MD5 basic transformation. Transforms _state based on block. */
void MD5::transform(const byte block[]) {

    ulong a = _state[], b = _state[], c = _state[], d = _state[], x[];

    decode(block, x, );

    /* Round 1 */
    FF (a, b, c, d, x[ ], S11, 0xd76aa478); /* 1 */
    FF (d, a, b, c, x[ ], S12, 0xe8c7b756); /* 2 */
    FF (c, d, a, b, x[ ], S13, 0x242070db); /* 3 */
    FF (b, c, d, a, x[ ], S14, 0xc1bdceee); /* 4 */
    FF (a, b, c, d, x[ ], S11, 0xf57c0faf); /* 5 */
    FF (d, a, b, c, x[ ], S12, 0x4787c62a); /* 6 */
    FF (c, d, a, b, x[ ], S13, 0xa8304613); /* 7 */
    FF (b, c, d, a, x[ ], S14, 0xfd469501); /* 8 */
    FF (a, b, c, d, x[ ], S11, 0x698098d8); /* 9 */
    FF (d, a, b, c, x[ ], S12, 0x8b44f7af); /* 10 */
    FF (c, d, a, b, x[], S13, 0xffff5bb1); /* 11 */
    FF (b, c, d, a, x[], S14, 0x895cd7be); /* 12 */
    FF (a, b, c, d, x[], S11, 0x6b901122); /* 13 */
    FF (d, a, b, c, x[], S12, 0xfd987193); /* 14 */
    FF (c, d, a, b, x[], S13, 0xa679438e); /* 15 */
    FF (b, c, d, a, x[], S14, 0x49b40821); /* 16 */

    /* Round 2 */
    GG (a, b, c, d, x[ ], S21, 0xf61e2562); /* 17 */
    GG (d, a, b, c, x[ ], S22, 0xc040b340); /* 18 */
    GG (c, d, a, b, x[], S23, 0x265e5a51); /* 19 */
    GG (b, c, d, a, x[ ], S24, 0xe9b6c7aa); /* 20 */
    GG (a, b, c, d, x[ ], S21, 0xd62f105d); /* 21 */
    GG (d, a, b, c, x[], S22,  0x2441453); /* 22 */
    GG (c, d, a, b, x[], S23, 0xd8a1e681); /* 23 */
    GG (b, c, d, a, x[ ], S24, 0xe7d3fbc8); /* 24 */
    GG (a, b, c, d, x[ ], S21, 0x21e1cde6); /* 25 */
    GG (d, a, b, c, x[], S22, 0xc33707d6); /* 26 */
    GG (c, d, a, b, x[ ], S23, 0xf4d50d87); /* 27 */
    GG (b, c, d, a, x[ ], S24, 0x455a14ed); /* 28 */
    GG (a, b, c, d, x[], S21, 0xa9e3e905); /* 29 */
    GG (d, a, b, c, x[ ], S22, 0xfcefa3f8); /* 30 */
    GG (c, d, a, b, x[ ], S23, 0x676f02d9); /* 31 */
    GG (b, c, d, a, x[], S24, 0x8d2a4c8a); /* 32 */

    /* Round 3 */
    HH (a, b, c, d, x[ ], S31, 0xfffa3942); /* 33 */
    HH (d, a, b, c, x[ ], S32, 0x8771f681); /* 34 */
    HH (c, d, a, b, x[], S33, 0x6d9d6122); /* 35 */
    HH (b, c, d, a, x[], S34, 0xfde5380c); /* 36 */
    HH (a, b, c, d, x[ ], S31, 0xa4beea44); /* 37 */
    HH (d, a, b, c, x[ ], S32, 0x4bdecfa9); /* 38 */
    HH (c, d, a, b, x[ ], S33, 0xf6bb4b60); /* 39 */
    HH (b, c, d, a, x[], S34, 0xbebfbc70); /* 40 */
    HH (a, b, c, d, x[], S31, 0x289b7ec6); /* 41 */
    HH (d, a, b, c, x[ ], S32, 0xeaa127fa); /* 42 */
    HH (c, d, a, b, x[ ], S33, 0xd4ef3085); /* 43 */
    HH (b, c, d, a, x[ ], S34,  0x4881d05); /* 44 */
    HH (a, b, c, d, x[ ], S31, 0xd9d4d039); /* 45 */
    HH (d, a, b, c, x[], S32, 0xe6db99e5); /* 46 */
    HH (c, d, a, b, x[], S33, 0x1fa27cf8); /* 47 */
    HH (b, c, d, a, x[ ], S34, 0xc4ac5665); /* 48 */

    /* Round 4 */
    II (a, b, c, d, x[ ], S41, 0xf4292244); /* 49 */
    II (d, a, b, c, x[ ], S42, 0x432aff97); /* 50 */
    II (c, d, a, b, x[], S43, 0xab9423a7); /* 51 */
    II (b, c, d, a, x[ ], S44, 0xfc93a039); /* 52 */
    II (a, b, c, d, x[], S41, 0x655b59c3); /* 53 */
    II (d, a, b, c, x[ ], S42, 0x8f0ccc92); /* 54 */
    II (c, d, a, b, x[], S43, 0xffeff47d); /* 55 */
    II (b, c, d, a, x[ ], S44, 0x85845dd1); /* 56 */
    II (a, b, c, d, x[ ], S41, 0x6fa87e4f); /* 57 */
    II (d, a, b, c, x[], S42, 0xfe2ce6e0); /* 58 */
    II (c, d, a, b, x[ ], S43, 0xa3014314); /* 59 */
    II (b, c, d, a, x[], S44, 0x4e0811a1); /* 60 */
    II (a, b, c, d, x[ ], S41, 0xf7537e82); /* 61 */
    II (d, a, b, c, x[], S42, 0xbd3af235); /* 62 */
    II (c, d, a, b, x[ ], S43, 0x2ad7d2bb); /* 63 */
    II (b, c, d, a, x[ ], S44, 0xeb86d391); /* 64 */

    _state[] += a;
    _state[] += b;
    _state[] += c;
    _state[] += d;
}

/* Encodes input (ulong) into output (byte). Assumes length is
a multiple of 4.
*/
void MD5::encode(const ulong *input, byte *output, size_t length) {

    for(size_t i=, j=; j<length; i++, j+=) {
        output[j]= (byte)(input[i] & 0xff);
        output[j+] = (byte)((input[i] >> ) & 0xff);
        output[j+] = (byte)((input[i] >> ) & 0xff);
        output[j+] = (byte)((input[i] >> ) & 0xff);
    }
}

/* Decodes input (byte) into output (ulong). Assumes length is
a multiple of 4.
*/
void MD5::decode(const byte *input, ulong *output, size_t length) {

    for(size_t i=, j=; j<length; i++, j+=) {
        output[i] = ((ulong)input[j]) | (((ulong)input[j+]) << ) |
            (((ulong)input[j+]) << ) | (((ulong)input[j+]) << );
    }
}

/* Convert byte array to hex string. */
string MD5::bytesToHexString(const byte *input, size_t length) {
    string str;
    str.reserve(length << );
    for(size_t i = ; i < length; i++) {
        int t = input[i];
        int a = t / ;
        int b = t % ;
        str.append(, HEX[a]);
        str.append(, HEX[b]);
    }
    return str;
}

/* Convert digest to string value */
string MD5::toString() {
    return bytesToHexString(digest(), );
}

void MD5::PrintMD5(const string &str, MD5 &md5) {
    cout << "MD5(\"" << str << "\") = " << md5.toString() << endl;
}

测试文件：

#include "md5.h"
#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

    MD5 md5;
    md5.update("");
    md5.PrintMD5("", md5);

    md5.update("a");
    md5.PrintMD5("a", md5);

    md5.update("bc");
    md5.PrintMD5("abc", md5);

    md5.update("defghijklmnopqrstuvwxyz");
    md5.PrintMD5("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz", md5);

    md5.reset();
    md5.update("message digest");
    md5.PrintMD5("message digest", md5);

    md5.reset();

    return ;
}

注：以上代码经过本人测试，是可以运行的。如有疑问，请留言！

作者感言：

　　加密过程太复杂，只得以记录的方式，记下来。

　　这个MD5已经破解了，前提是已经知道了MD5加密值，才可以破解。我也把王晓云教授的《MD5破解》的论文下载下来了，并上传了百度网盘，地址如下：

　　链接: http://pan.baidu.com/s/1hqmPe7q 密码: ah7w

　　但这个论文是全英文的，中文的有可能会译错，还是读者自己看吧。