MD5 算法的原理及实现
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作者能力有限, 如果您在阅读过程中发现任何错误, 还请您务必联系本人,指出错误, 避免后来读者再学习错误的知识.谢谢!
简介##
Wiki对其的描述:
MD5消息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。MD5由美国密码学家罗纳德·李维斯特（Ronald Linn Rivest）设计，于1992年公开，用以取代MD4算法。这套算法的程序在 RFC 1321 中被加以规范。
将数据（如一段文字）运算变为另一固定长度值，是散列算法的基础原理。
1996年后被证实存在弱点，可以被加以破解，对于需要高度安全性的数据，专家一般建议改用其他算法，如SHA-2。2004年，证实MD5算法无法防止碰撞（collision），因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途
MD5 算法是 MD4 算法的扩展, MD5 比 MD4 算法稍微慢一些, 但是却后者更难破解.
算法描述##
假设我们需要计算一个长度为 b bit 的信息的消息摘要, b 可以是零, b 也不需要是 8 的整数倍. 我么将它表示为: .
计算该消息的摘要,我们需要依次执行以下五步:
填充###
我们需要将输入消息的长度填充到差 64 就是 512 的整数倍长度.
填充方法:第一 bit 是 1, 接下来的所有比特填充 0.
填充操作总是需要进行, 即使输入的消息长度本身就满足上述条件, 此时填充的长度时 512. 因此可能的填充长度时 1-512.
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填充长度###
长度 b 被表示为 64 bit(little-endian, 低字节在前), 连接到第一步操作的尾部.
通过这部操作之后, 我们的消息长度此时正好是 512 的整数倍.
注意这里的长度 b 是原始数据的长度, 而不是经过第一步填充之后的长度.
初始化幻数###
这里我们将用到四个幻数: A, B, C, D. 他们的值分别如下:
A=0X67452301L，
B=0XEFCDAB89L，
C=0X98BADCFEL，
D=0X10325476L
(至于为什么是这几个数字,大家自己研究哈)
计算消息摘要###
这里我们需要 4 个函数, 他们均输入三个 32bit 的字,输出一个 32bit 的字.
F(X,Y,Z) = XY v not(X) Z
G(X,Y,Z) = XZ v Y not(Z)
H(X,Y,Z) = X xor Y xor Z
I(X,Y,Z) = Y xor (X v not(Z))
其中 v 为安慰或, not() 为按位取反, xor 为按位异或.
计算消息摘要,我们还需要一个表, 这个表有 64 个元素, 第 i 个元素的值是 4294967296 *abs(sin(i))
在计算消息摘要时, 我们将上述步骤所得消息输入按照每 16 字(64 bit) 一小组进行计算.
接下来我们就可以开始进行真正的计算了, 计算方法 RFC 中描述如下:
下面伪代码中:
N 表示输入消息所包含的字数(不是字节数).
M 表示以字为单位,输入消息所组成的数组, 它的长度为 N.
A, B, C, D 为步骤四中所定义的幻数.
/* Process each 16-word block. */
For i = 0 to N/16-1 do
/* Copy block i into X. */
For j = 0 to 15 do
Set X[j] to M[i*16+j].
end /* of loop on j */
/* Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD. */
AA = A
BB = B
CC = C
DD = D
/* Round 1. */
/* Let [abcd k s i] denote the operation
a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 0 7 1] [DABC 1 12 2] [CDAB 2 17 3] [BCDA 3 22 4]
[ABCD 4 7 5] [DABC 5 12 6] [CDAB 6 17 7] [BCDA 7 22 8]
[ABCD 8 7 9] [DABC 9 12 10] [CDAB 10 17 11] [BCDA 11 22 12]
[ABCD 12 7 13] [DABC 13 12 14] [CDAB 14 17 15] [BCDA 15 22 16]
/* Round 2. */
/* Let [abcd k s i] denote the operation
a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 1 5 17] [DABC 6 9 18] [CDAB 11 14 19] [BCDA 0 20 20]
[ABCD 5 5 21] [DABC 10 9 22] [CDAB 15 14 23] [BCDA 4 20 24]
[ABCD 9 5 25] [DABC 14 9 26] [CDAB 3 14 27] [BCDA 8 20 28]
[ABCD 13 5 29] [DABC 2 9 30] [CDAB 7 14 31] [BCDA 12 20 32]
/* Round 3. */
/* Let [abcd k s t] denote the operation
a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 5 4 33] [DABC 8 11 34] [CDAB 11 16 35] [BCDA 14 23 36]
[ABCD 1 4 37] [DABC 4 11 38] [CDAB 7 16 39] [BCDA 10 23 40]
[ABCD 13 4 41] [DABC 0 11 42] [CDAB 3 16 43] [BCDA 6 23 44]
[ABCD 9 4 45] [DABC 12 11 46] [CDAB 15 16 47] [BCDA 2 23 48]
/* Round 4. */
/* Let [abcd k s t] denote the operation
a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 0 6 49] [DABC 7 10 50] [CDAB 14 15 51] [BCDA 5 21 52]
[ABCD 12 6 53] [DABC 3 10 54] [CDAB 10 15 55] [BCDA 1 21 56]
[ABCD 8 6 57] [DABC 15 10 58] [CDAB 6 15 59] [BCDA 13 21 60]
[ABCD 4 6 61] [DABC 11 10 62] [CDAB 2 15 63] [BCDA 9 21 64]
/* Then perform the following additions.
(That is increment eachof the four registers by the value it
had before this block was started.) */
A = A + AA
B = B + BB
C = C + CC
D = D + DD
end /* of loop on i */
输出消息摘要###
通过上一步的计算, 我们得到了四个结果 A, B, C, D. 将上述四个字表示为 128 bit 即为输入消息的消息摘要. 注意将 A, B, C, D 转化为 bit 时采用小段表示法(低字节在前).
算法实现##
在这里, 我们采用 go 语言实现该算法.
package md5
import "encoding/hex"
const (
A = uint32(0x67452301)
B = uint32(0xEFCDAB89)
C = uint32(0x98BADCFE)
D = uint32(0x10325476)
)
type MD5 struct {
r [4]uint32 // result
}
func (md5 *MD5) prepareData(rawData []byte) []byte {
// padding
var lenData, padLen uint32
lenData = uint32(len(rawData))
padLen = 0
if lenData % 64 < 56 {
padLen = 56 - (lenData % 64)
} else {
padLen = 64 + 56 - (lenData % 64)
}
pad := make([]byte, padLen)
pad[0] = 0x80
rawData = append(rawData, pad...)
// append length
bitLenBytes := make([]byte, 8)
lenData = lenData << 3
for i := uint32(0); i < 8; i++ {
bitLenBytes[i] = byte(lenData >> (8 * i))
}
rawData = append(rawData, bitLenBytes...)
return rawData
}
func (md5 *MD5) Digest(m []byte) {
m = md5.prepareData(m)
a, b, c, d := A, B, C, D
chunk := len(m) / 64 // process the data as 16-word block
for k := 0; k < chunk; k++ {
/* Copy block i into X. */
// For j = 0 to 15 do
// Set X[j] to M[i*16+j].
// end /* of loop on j */
var X [16]uint32
j := 0
for i := 0; i < 16; i++ {
X[i] = uint32(m[(k*64)+j]) | uint32(m[(k*64)+j+1])<<8 | uint32(m[(k*64)+j+2])<<16 | uint32(m[(k*64)+j+3])<<24
j += 4
}
/* Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD. */
AA, BB, CC, DD := a, b, c, d
/* Round 1. */
/* Let [abcd k s i] denote the operation
a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
// [ABCD 0 7 1] [DABC 1 12 2] [CDAB 2 17 3] [BCDA 3 22 4]
a += (((c ^ d) & b) ^ d) + X[0] + 3614090360
a = a<<7 | a>>(32-7) + b
d += (((b ^ c) & a) ^ c) + X[1] + 3905402710
d = d<<12 | d>>(32-12) + a
c += (((a ^ b) & d) ^ b) + X[2] + 606105819
c = c<<17 | c>>(32-17) + d
b += (((d ^ a) & c) ^ a) + X[3] + 3250441966
b = b<<22 | b>>(32-22) + c
// [ABCD 4 7 5] [DABC 5 12 6] [CDAB 6 17 7] [BCDA 7 22 8]
a += (((c ^ d) & b) ^ d) + X[4] + 4118548399
a = a<<7 | a>>(32-7) + b
d += (((b ^ c) & a) ^ c) + X[5] + 1200080426
d = d<<12 | d>>(32-12) + a
c += (((a ^ b) & d) ^ b) + X[6] + 2821735955
c = c<<17 | c>>(32-17) + d
b += (((d ^ a) & c) ^ a) + X[7] + 4249261313
b = b<<22 | b>>(32-22) + c
// [ABCD 8 7 9] [DABC 9 12 10] [CDAB 10 17 11] [BCDA 11 22 12]
a += (((c ^ d) & b) ^ d) + X[8] + 1770035416
a = a<<7 | a>>(32-7) + b
d += (((b ^ c) & a) ^ c) + X[9] + 2336552879
d = d<<12 | d>>(32-12) + a
c += (((a ^ b) & d) ^ b) + X[10] + 4294925233
c = c<<17 | c>>(32-17) + d
b += (((d ^ a) & c) ^ a) + X[11] + 2304563134
b = b<<22 | b>>(32-22) + c
// [ABCD 12 7 13] [DABC 13 12 14] [CDAB 14 17 15] [BCDA 15 22 16]
a += (((c ^ d) & b) ^ d) + X[12] + 1804603682
a = a<<7 | a>>(32-7) + b
d += (((b ^ c) & a) ^ c) + X[13] + 4254626195
d = d<<12 | d>>(32-12) + a
c += (((a ^ b) & d) ^ b) + X[14] + 2792965006
c = c<<17 | c>>(32-17) + d
b += (((d ^ a) & c) ^ a) + X[15] + 1236535329
b = b<<22 | b>>(32-22) + c
/* Round 2. */
/* Let [abcd k s i] denote the operation
a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
// [ABCD 1 5 17] [DABC 6 9 18] [CDAB 11 14 19] [BCDA 0 20 20]
a += (((b ^ c) & d) ^ c) + X[(1+5*0)&15] + 4129170786
a = a<<5 | a>>(32-5) + b
d += (((a ^ b) & c) ^ b) + X[(1+5*1)&15] + 3225465664
d = d<<9 | d>>(32-9) + a
c += (((d ^ a) & b) ^ a) + X[(1+5*2)&15] + 643717713
c = c<<14 | c>>(32-14) + d
b += (((c ^ d) & a) ^ d) + X[(1+5*3)&15] + 3921069994
b = b<<20 | b>>(32-20) + c
// [ABCD 5 5 21] [DABC 10 9 22] [CDAB 15 14 23] [BCDA 4 20 24]
a += (((b ^ c) & d) ^ c) + X[(1+5*4)&15] + 3593408605
a = a<<5 | a>>(32-5) + b
d += (((a ^ b) & c) ^ b) + X[(1+5*5)&15] + 38016083
d = d<<9 | d>>(32-9) + a
c += (((d ^ a) & b) ^ a) + X[(1+5*6)&15] + 3634488961
c = c<<14 | c>>(32-14) + d
b += (((c ^ d) & a) ^ d) + X[(1+5*7)&15] + 3889429448
b = b<<20 | b>>(32-20) + c
// [ABCD 9 5 25] [DABC 14 9 26] [CDAB 3 14 27] [BCDA 8 20 28]
a += (((b ^ c) & d) ^ c) + X[(1+5*8)&15] + 568446438
a = a<<5 | a>>(32-5) + b
d += (((a ^ b) & c) ^ b) + X[(1+5*9)&15] + 3275163606
d = d<<9 | d>>(32-9) + a
c += (((d ^ a) & b) ^ a) + X[(1+5*10)&15] + 4107603335
c = c<<14 | c>>(32-14) + d
b += (((c ^ d) & a) ^ d) + X[(1+5*11)&15] + 1163531501
b = b<<20 | b>>(32-20) + c
//[ABCD 13 5 29] [DABC 2 9 30] [CDAB 7 14 31] [BCDA 12 20 32]
a += (((b ^ c) & d) ^ c) + X[(1+5*12)&15] + 2850285829
a = a<<5 | a>>(32-5) + b
d += (((a ^ b) & c) ^ b) + X[(1+5*13)&15] + 4243563512
d = d<<9 | d>>(32-9) + a
c += (((d ^ a) & b) ^ a) + X[(1+5*14)&15] + 1735328473
c = c<<14 | c>>(32-14) + d
b += (((c ^ d) & a) ^ d) + X[(1+5*15)&15] + 2368359562
b = b<<20 | b>>(32-20) + c
/* Round 3. */
/* Let [abcd k s t] denote the operation
a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
// [ABCD 5 4 33] [DABC 8 11 34] [CDAB 11 16 35] [BCDA 14 23 36]
a += (b ^ c ^ d) + X[(5+3*0)&15] + 4294588738
a = a<<4 | a>>(32-4) + b
d += (a ^ b ^ c) + X[(5+3*1)&15] + 2272392833
d = d<<11 | d>>(32-11) + a
c += (d ^ a ^ b) + X[(5+3*2)&15] + 1839030562
c = c<<16 | c>>(32-16) + d
b += (c ^ d ^ a) + X[(5+3*3)&15] + 4259657740
b = b<<23 | b>>(32-23) + c
// [ABCD 1 4 37] [DABC 4 11 38] [CDAB 7 16 39] [BCDA 10 23 40]
a += (b ^ c ^ d) + X[(5+3*4)&15] + 2763975236
a = a<<4 | a>>(32-4) + b
d += (a ^ b ^ c) + X[(5+3*5)&15] + 1272893353
d = d<<11 | d>>(32-11) + a
c += (d ^ a ^ b) + X[(5+3*6)&15] + 4139469664
c = c<<16 | c>>(32-16) + d
b += (c ^ d ^ a) + X[(5+3*7)&15] + 3200236656
b = b<<23 | b>>(32-23) + c
// [ABCD 13 4 41] [DABC 0 11 42] [CDAB 3 16 43] [BCDA 6 23 44]
a += (b ^ c ^ d) + X[(5+3*8)&15] + 681279174
a = a<<4 | a>>(32-4) + b
d += (a ^ b ^ c) + X[(5+3*9)&15] + 3936430074
d = d<<11 | d>>(32-11) + a
c += (d ^ a ^ b) + X[(5+3*10)&15] + 3572445317
c = c<<16 | c>>(32-16) + d
b += (c ^ d ^ a) + X[(5+3*11)&15] + 76029189
b = b<<23 | b>>(32-23) + c
// [ABCD 9 4 45] [DABC 12 11 46] [CDAB 15 16 47] [BCDA 2 23 48]
a += (b ^ c ^ d) + X[(5+3*12)&15] + 3654602809
a = a<<4 | a>>(32-4) + b
d += (a ^ b ^ c) + X[(5+3*13)&15] + 3873151461
d = d<<11 | d>>(32-11) + a
c += (d ^ a ^ b) + X[(5+3*14)&15] + 530742520
c = c<<16 | c>>(32-16) + d
b += (c ^ d ^ a) + X[(5+3*15)&15] + 3299628645
b = b<<23 | b>>(32-23) + c
/* Round 4. */
/* Let [abcd k s t] denote the operation
a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
// [ABCD 0 6 49] [DABC 7 10 50] [CDAB 14 15 51] [BCDA 5 21 52]
a += (c ^ (b | ^d)) + X[(7*0)&15] + 4096336452
a = a<<6 | a>>(32-6) + b
d += (b ^ (a | ^c)) + X[(7*1)&15] + 1126891415
d = d<<10 | d>>(32-10) + a
c += (a ^ (d | ^b)) + X[(7*2)&15] + 2878612391
c = c<<15 | c>>(32-15) + d
b += (d ^ (c | ^a)) + X[(7*3)&15] + 4237533241
b = b<<21 | b>>(32-21) + c
// [ABCD 12 6 53] [DABC 3 10 54] [CDAB 10 15 55] [BCDA 1 21 56]
a += (c ^ (b | ^d)) + X[(7*4)&15] + 1700485571
a = a<<6 | a>>(32-6) + b
d += (b ^ (a | ^c)) + X[(7*5)&15] + 2399980690
d = d<<10 | d>>(32-10) + a
c += (a ^ (d | ^b)) + X[(7*6)&15] + 4293915773
c = c<<15 | c>>(32-15) + d
b += (d ^ (c | ^a)) + X[(7*7)&15] + 2240044497
b = b<<21 | b>>(32-21) + c
// [ABCD 8 6 57] [DABC 15 10 58] [CDAB 6 15 59] [BCDA 13 21 60]
a += (c ^ (b | ^d)) + X[(7*8)&15] + 1873313359
a = a<<6 | a>>(32-6) + b
d += (b ^ (a | ^c)) + X[(7*9)&15] + 4264355552
d = d<<10 | d>>(32-10) + a
c += (a ^ (d | ^b)) + X[(7*10)&15] + 2734768916
c = c<<15 | c>>(32-15) + d
b += (d ^ (c | ^a)) + X[(7*11)&15] + 1309151649
b = b<<21 | b>>(32-21) + c
// [ABCD 4 6 61] [DABC 11 10 62] [CDAB 2 15 63] [BCDA 9 21 64]
a += (c ^ (b | ^d)) + X[(7*12)&15] + 4149444226
a = a<<6 | a>>(32-6) + b
d += (b ^ (a | ^c)) + X[(7*13)&15] + 3174756917
d = d<<10 | d>>(32-10) + a
c += (a ^ (d | ^b)) + X[(7*14)&15] + 718787259
c = c<<15 | c>>(32-15) + d
b += (d ^ (c | ^a)) + X[(7*15)&15] + 3951481745
b = b<<21 | b>>(32-21) + c
a = AA + a
b = BB + b
c = CC + c
d = DD + d
}
md5.r[0] = a
md5.r[1] = b
md5.r[2] = c
md5.r[3] = d
}
func (md5 *MD5) MD5Hex() string {
bytes := make([]byte, 16)
bytes[0] = byte(md5.r[0] & 0xFF)
bytes[1] = byte((md5.r[0] & 0xFF00) >> 8)
bytes[2] = byte((md5.r[0] & 0xFF0000) >> 16)
bytes[3] = byte((md5.r[0] & 0xFF000000) >> 24)
bytes[4] = byte(md5.r[1] & 0xFF)
bytes[5] = byte((md5.r[1] & 0xFF00) >> 8)
bytes[6] = byte((md5.r[1] & 0xFF0000) >> 16)
bytes[7] = byte((md5.r[1] & 0xFF000000) >> 24)
bytes[8] = byte(md5.r[2] & 0xFF)
bytes[9] = byte((md5.r[2] & 0xFF00) >> 8)
bytes[10] = byte((md5.r[2] & 0xFF0000) >> 16)
bytes[11] = byte((md5.r[2] & 0xFF000000) >> 24)
bytes[12] = byte(md5.r[3] & 0xFF)
bytes[13] = byte((md5.r[3] & 0xFF00) >> 8)
bytes[14] = byte((md5.r[3] & 0xFF0000) >> 16)
bytes[15] = byte((md5.r[3] & 0xFF000000) >> 24)
return hex.EncodeToString(bytes)
}
END!
