MD5加密算法原理及实现

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。

以下所描述的消息长度、填充数据都以位(Bit)为单位，字节序为小端字节。

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。

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。

3、数据处理

准备需要用到的数据：

• 4个常数： A = 0x67452301, B = 0x0EFCDAB89, C = 0x98BADCFE, D = 0x10325476;
• 4个函数：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));

把消息分以512位为一分组进行处理，每一个分组进行4轮变换，以上面所说4个常数为起始变量进行计算，重新输出4个变量，以这4个变量再进行下一分组的运算，如果已经是最后一个分组，则这4个变量为最后的结果，即MD5值。

具体计算的实现较为复杂，建议查阅相关书籍，下面给出在C++上的实现代码。

代码实现

#MD5.h

 #ifndef MD5H
 #define MD5H
 #include <math.h>
 #include <Windows.h>

 void ROL(unsigned int &s, unsigned short cx); //32位数循环左移实现函数
 void ltob(unsigned int &i); //B\L互转，接受UINT类型
 unsigned int* MD5(const char* mStr); //接口函数，并执行数据填充，计算MD5时调用此函数

 #endif

#MD5.cpp

 #include "MD5.h"

 /*4组计算函数*/
 inline unsigned int F(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
 {
     return (X & Y) | ((~X) & Z);
 }
 inline unsigned int G(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
 {
     return (X & Z) | (Y & (~Z));
 }
 inline unsigned int H(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
 {
     return X ^ Y ^ Z;
 }
 inline unsigned int I(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z)
 {
     return Y ^ (X | (~Z));
 }
 /*4组计算函数结束*/

 /*32位数循环左移实现函数*/
 void ROL(unsigned int &s, unsigned short cx)
 {
     if (cx > )cx %= ;
     s = (s << cx) | (s >> ( - cx));
     return;
 }

 /*B\L互转，接收UINT类型*/
 void ltob(unsigned int &i)
 {
     unsigned int tmp = i;//保存副本
     byte *psour = (byte*)&tmp, *pdes = (byte*)&i;
     pdes += ;//调整指针，准备左右调转
     for (short i = ; i >= ; --i)
     {
         CopyMemory(pdes - i, psour + i, );
     }
     return;
 }

 /*
 MD5循环计算函数，label=第几轮循环（1<=label<=4），lGroup数组=4个种子副本，M=数据（16组32位数指针）
 种子数组排列方式: --A--D--C--B--，即 lGroup[0]=A; lGroup[1]=D; lGroup[2]=C; lGroup[3]=B;
 */
 void AccLoop(unsigned short label, unsigned int *lGroup, void *M)
 {
     unsigned int *i1, *i2, *i3, *i4, TAcc, tmpi = ; //定义:4个指针； T表累加器； 局部变量
     typedef unsigned int(*clac)(unsigned int X, unsigned int Y, unsigned int Z); //定义函数类型
     const unsigned int rolarray[][] = {
         { , , ,  },
         { , , ,  },
         { , , ,  },
         { , , ,  }
     };//循环左移-位数表
     const unsigned short mN[][] = {
         { , , , , , , , , , , , , , , ,  },
         { , , , , , , , , , , , , , , ,  },
         { , , , , , , , , , , , , , , ,  },
         { , , , , , , , , , , , , , , ,  }
     };//数据坐标表
     const unsigned int *pM = static_cast<unsigned int*>(M);//转换类型为32位的Uint
     TAcc = ((label - ) * ) + ; //根据第几轮循环初始化T表累加器
     clac clacArr[] = { F, G, H, I }; //定义并初始化计算函数指针数组

     /*一轮循环开始（16组->16次）*/
     for (short i = ; i < ; ++i)
     {
         /*进行指针自变换*/
         i1 = lGroup + (( + i) % );
         i2 = lGroup + (( + i) % );
         i3 = lGroup + (( + i) % );
         i4 = lGroup + (( + i) % );

         /*第一步计算开始: A+F(B,C,D)+M[i]+T[i+1] 注:第一步中直接计算T表*/
         tmpi = (*i1 + clacArr[label - ](*i2, *i3, *i4) + pM[(mN[label - ][i])] + (unsigned int)(0x100000000UL * abs(sin((double)(TAcc + i)))));
         ROL(tmpi, rolarray[label - ][i % ]);//第二步:循环左移
         *i1 = *i2 + tmpi;//第三步:相加并赋值到种子
     }
     return;
 }

 /*接口函数，并执行数据填充*/
 unsigned int* MD5(const char* mStr)
 {
     unsigned int mLen = strlen(mStr); //计算字符串长度
     if (mLen < ) return ;
     unsigned int FillSize =  - ((mLen * ) % ); //计算需填充的bit数
     unsigned int FSbyte = FillSize / ; //以字节表示的填充数
     unsigned int BuffLen = mLen +  + FSbyte; //缓冲区长度或者说填充后的长度
     unsigned char *md5Buff = new unsigned char[BuffLen]; //分配缓冲区
     CopyMemory(md5Buff, mStr, mLen); //复制字符串到缓冲区

     /*数据填充开始*/
     md5Buff[mLen] = 0x80; //第一个bit填充1
     ZeroMemory(&md5Buff[mLen + ], FSbyte - ); //其它bit填充0，另一可用函数为FillMemory
     unsigned long long lenBit = mLen * 8ULL; //计算字符串长度，准备填充
     CopyMemory(&md5Buff[mLen + FSbyte], &lenBit, ); //填充长度
     /*数据填充结束*/

     /*运算开始*/
     unsigned int LoopNumber = BuffLen / ; //以16个字为一分组，计算分组数量
     unsigned int A = 0x67452301, B = 0x0EFCDAB89, C = 0x98BADCFE, D = 0x10325476;//初始4个种子，小端类型
     unsigned int *lGroup = new unsigned int[]{ A, D, C, B}; //种子副本数组,并作为返回值返回
     for (unsigned int Bcount = ; Bcount < LoopNumber; ++Bcount) //分组大循环开始
     {
         /*进入4次计算的小循环*/
         for (unsigned short Lcount = ; Lcount < ;)
         {
             AccLoop(++Lcount, lGroup, &md5Buff[Bcount * 64]);
         }
         /*数据相加作为下一轮的种子或者最终输出*/
         A = (lGroup[] += A);
         B = (lGroup[] += B);
         C = (lGroup[] += C);
         D = (lGroup[] += D);
     }
     /*转换内存中的布局后才能正常显示*/
     ltob(lGroup[]);
     ltob(lGroup[]);
     ltob(lGroup[]);
     ltob(lGroup[]);
     delete[] md5Buff; //清除内存并返回
     return lGroup;
 }

再给出调用实例（以win32控制台应用程序为例）：

#main.cpp

 #include <iostream>
 #include <string.h>
 #include <stdlib.h>
 #include "MD5.h"

 int main(int argc, char **argv)
 {
     char tmpstr[], buf[][];
     std::cout << "请输入要加密的字符串：";
     std::cin >> tmpstr;
     unsigned int* tmpGroup = MD5(tmpstr);
     sprintf_s(buf[], "%8X", tmpGroup[]);
     sprintf_s(buf[], "%8X", tmpGroup[]);
     sprintf_s(buf[], "%8X", tmpGroup[]);
     sprintf_s(buf[], "%8X", tmpGroup[]);
     std::cout <<"MD5:"<< buf[] << buf[] << buf[] << buf[] << std::endl;

     delete[] tmpGroup;
     return ; //在此下断点才能看到输出的值
 }

注：以上代码在VS2013上编译通过