1. 程式人生 > >常用演算法 之 詳解 MD5(基於演算法的官方原文件)

常用演算法 之 詳解 MD5(基於演算法的官方原文件)

什麼是 MD5

  全稱是 MD5 訊息摘要演算法(The MD5 Message-Digest Algorithm),對輸入任意長度的訊息進行處理,最終產生一個128位的訊息摘要(雜湊值(hash value))。不同的輸入得到的不同的結果(唯一性)。MD5 由美國密碼學家羅納德·李維斯特(Ronald Linn Rivest)設計,於1992年公開,用以取代MD4演算法。這套演算法的程式在 RFC 1321 中被加以規範(具體見附件)。

  1. MD5 是 MD4 的升級版,MD4 是麻省理工學院教授 Ronald Rivest 於1990年設計的一種資訊摘要演算法,目前用的也不是很多。再之前還有個 MD2,好像是 1989年釋出的,目前基本已被淘汰。
  2. 雜湊(Hash): 把任意長度的輸入(又叫做預對映, pre-image),通過雜湊演算法,變換成固定長度的輸出,該輸出就是雜湊值。
  3. 雜湊衝撞/雜湊衝撞: 發現兩段原文對應同一個MD5,則稱為一次雜湊雜湊碰撞。

與 MD4 區別

根據規範文件,主要有以下幾點:

  1. 增加了第四輪.
  2. 每一步均有唯一的加法常數.
  3. 為減弱第二輪中函式G的對稱性從(X&Y)|(X&Z)|(Y&Z)變為(X&Z)|(Y&(~Z))
  4. 第一步加上了上一步的結果,這將引起更快的雪崩效應.
  5. 改變了第二輪和第三輪中訪問訊息子分組的次序,使其更不相似.
  6. 近似優化了每一輪中的迴圈左移位移量以實現更快的雪崩效應,各輪的位移量互不相同.

安全性

  1996年後被證實存在弱點,可以被加以破解。2004年,證實MD5演算法無法防止碰撞(collision)。2004年的國際密碼討論年會(CRYPTO)尾聲,王小云及其研究同事展示了MD5、SHA-0及其他相關雜湊函式的雜湊衝撞。

實現原理

  MD5 以 512 位分組來處理輸入的資訊,且每一分組又被劃分為16個32位子分組,經過了一系列的處理後,演算法的輸出由四個32位分組組成,將這四個32位分組級聯後將生成一個128位雜湊值。基本就是下面這張圖(該圖在許多大學的課本上就可以看到,具體忘了出處,就重新畫了一下
MD5
根據演算法文件的描述,總共可以分為五步:

  • 第一步:附加填充位: 如果輸入資訊的長度(bit)對512求餘的結果不等於448,就需要填充使得對512求餘的結果等於448。這裡主要是為了保證計算的最後一定為512bits。具體看參見後文原始碼的函式:void MD5Final(MD5_CTX *context, unsigned char digest[16])

      填充方法: 在訊息後面進行填充,填充第一位為1,其餘為0。具體見下面原始碼的陣列unsigned char PADDING[]
  • 第二步:附加長度: 用64位來儲存填充前資訊長度。這64位加在第一步結果的後面。將總的位元位位數附加到最後一包的最後,進行轉換。448 + 64 = 512
  • 第三步:初始化 MD 緩衝區: 四個字(每個字32位)初始值(A,B,C,D)用於計算訊息摘要。依次為:A = 0x67452301,B = 0xEFCDAB89,C = 0x98BADCFE,D = 0x10325476
  • 第四步:處理輸入的資料: 這一步較為複雜,總共分兩層迴圈:第一層為訊息長度分的512bits的總包數(注意第一步的填充)下面的原始碼中,函式void MD5Update(MD5_CTX *context, unsigned char *input, unsigned int inputlen)就是處理這層迴圈的,第二層迴圈為 16個32位子分組,以下面四個分組計算,共64次迴圈。下面的原始碼中,函式static void MD5Transform(unsigned int state[4], unsigned char block[64])就是處理這層迴圈的。
    1. 規範定義了四個輔助函式,每個函式將三個32位字作為輸入,併產生一個32位字作為輸出。(& 表示與操作、| 表示或操作、~ 表示非操作、^ 表示異或操作)。64次子迴圈中,F、G、H、I 交替使用,第一個16次使用 F,第二個16次使用 G,第三個16次使用 H,第四個16次使用 I。
    	#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))
    
    1. 設 Mj 表示訊息的第 j 個子分組(從0到15)。把原文的每512位再分成16等份,命名為M0 ~ M15,每一等份長度32。在64次子迴圈中,每16次迴圈,都會交替用到M1 ~ M16之一
    	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)
    
    1. 四輪運算,演算法規定必須是四輪。具體見下面原始碼的函式 static void MD5Transform(unsigned int state[4], unsigned char block[64])

  舉個例子,假設輸入的訊息長度為N,那麼第一層迴圈次數為 N / 512 (還需要考慮填充),第二層迴圈次數為512 / 32 *4 = 64。具體來看看下圖(來自於維基百科的MD5介紹)。
MD5
  這張圖所表達的就是 單次子迴圈 的流程。圖中的綠色F,代表以上四個輔助函式中的 F;紅色的田字代表相加;Mi表示分為32位後的第 i 包資料;Ki是一個演算法規定的常量,在64次子迴圈中,每一次用到的常量都是不同的;黃色的<<<S表示左移S位,S的值也是演算法規定的常量。
新A = 原d
新B = b+((a+F(b,c,d)+Mj+Ki)<<<s)
新C = 原b
新D = 原c

  • 第五步:輸出: 作為輸出產生的訊息摘要是A,B,C,D。也就是說,我們從A的低位位元組開始,以D的高位位元組結束。

原始碼

  在RFC 1321文件中,作者不進給出了演算法的具體描述以及與 MD4 的區別,還給出了一套實現好的 C 程式碼,下文說明就是基於該程式碼的。程式碼稍微簡化了一下,因此與原文中的程式碼可能稍有不同。
  仔細閱讀以下原始碼會發現,原始碼的實現並不是嚴格按照上面說的順序實現的。以下原始碼有非常詳細的註釋,具體參看註釋即可,不在做過多說明。

  • MD5.h
#ifndef MD5_H
#define MD5_H

/* MD5 context. */
typedef struct
{
	/* 儲存原始資訊的bits數長度(不包括填充的bits),最長為 2^64 bits。如果訊息長度大於2^64,則只使用其低64位的值,即(訊息長度 對 2^64取模) */
	unsigned int count[2];
	/* 四個32bits數,用於存放最終計算得到的訊息摘要。當訊息長度大於 512bits時,也用於存放每個512bits的中間結果 */ 
	unsigned int state[4];
	/*存放輸入的資訊的緩衝區,512bits */
	unsigned char buffer[64];
} MD5_CTX;

void MD5Init(MD5_CTX *context);
void MD5Update(MD5_CTX *context, unsigned char *input, unsigned int inputlen);
void MD5Final(MD5_CTX *context, unsigned char digest[16]);
#endif
  • MD5.c
#include <string.h>
#include "MD5.h"

/* MD5轉換用到的常量,是演算法本身規定的 */
#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

/* MD5演算法本身規定的基本函式 */
#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))

/* 實現將x迴圈左移n位
 */
#define ROTATE_LEFT(x, n) ((x << n) | (x >> (32 - n)))

/** MD5演算法本身規定的 4 輪變換 
 * 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;                      \
}

/** 
 * 用於bits填充的緩衝區,為什麼要64個位元組呢?因為當欲加密的資訊的bits數被512除其餘數為448時, 
 * 需要填充的bits的最大值為512=64*8 。 
**/
unsigned char PADDING[] = {0x80, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
			   0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
			   0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
			   0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

static void MD5Transform(unsigned int state[4], unsigned char block[64]);
static void MD5Encode(unsigned char *output, unsigned int *input, unsigned int len);
static void MD5Decode(unsigned int *output, unsigned char *input, unsigned int len);

/* MD5 initialization. Begins an MD5 operation, writing a new context. */  
/* 初始化md5的結構 */
void MD5Init(MD5_CTX *context)
{
	/* 將當前的有效資訊的長度設成 0 */
	context->count[0] = 0;
	context->count[1] = 0;
	/* Load magic initialization constants.*/
	/* 初始化連結變數,演算法要求這樣 */
	context->state[0] = 0x67452301;
	context->state[1] = 0xEFCDAB89;
	context->state[2] = 0x98BADCFE;
	context->state[3] = 0x10325476;
}

/* MD5 block update operation. Continues an MD5 message-digest 
  operation, processing another message block, and updating the 
  context. */
/* 將與加密的資訊傳遞給md5結構,可以多次呼叫 
context:初始化過了的md5結構 
input:欲加密的資訊,可以任意長 
inputLen:指定input的長度 
*/
void MD5Update(MD5_CTX *context, unsigned char *input, unsigned int inputlen)
{
	unsigned int i = 0, index = 0, partlen = 0;

	/* 計算已有資訊的bits長度的位元組數的模64(64bytes = 512bits)。 用於判斷已有資訊加上當前傳過來的資訊的總長度能不能達到 512bits, 如果能夠達到則對湊夠的512bits進行一次處理 */
	index = (context->count[0] >> 3) & 0x3F;	/* (context->count[0] >> 3) = context->count[0]/8 ,即:算位元組數; 後面的 & 3F 就是 Mod 64 */
	partlen = 64 - index;						/* 計算已有的位元組數長度還差多少位元組可以湊成 64Bytes(512bits) */
	/* 儲存輸入資訊的位元位數 */
	context->count[0] += inputlen << 3;
	if (context->count[0] < (inputlen << 3))
	{
		context->count[1]++;
	}
	context->count[1] += inputlen >> 29;

	/* 如果當前輸入的位元組數 大於 已有位元組數長度補足64位元組整倍數所差的位元組數 */
	if (inputlen >= partlen)
	{
		/* 用當前輸入的內容把 context->buffer 的內容補足 512bits */
		memcpy(&context->buffer[index], input, partlen);
		/* 用基本函式對填充滿的512bits(已經儲存到context->buffer中) 做一次轉換,轉換結果儲存到context->state中 */
		MD5Transform(context->state, context->buffer);
		/* 對當前輸入的剩餘位元組做轉換(如果剩餘的位元組大於512bits的話 ), 轉換結果儲存到context->state中 */
		for (i = partlen; i + 64 <= inputlen; i += 64)
		{
			MD5Transform(context->state, &input[i]);
		}
		index = 0;
	}
	else
	{
		i = 0;
	}
	/*將輸入緩衝區中的不足填充滿512bits的剩餘內容填充到context->buffer中,留待以後再作處理*/
	memcpy(&context->buffer[index], &input[i], inputlen - i);
}

/* MD5 finalization. Ends an MD5 message-digest operation, writing the 
  the message digest and zeroizing the context. */  
/*獲取加密 的最終結果 
digest:儲存最終的加密串 
context:你前面初始化並填入了資訊的md5結構 
*/
void MD5Final(MD5_CTX *context, unsigned char digest[16])
{
	unsigned int index = 0, padlen = 0;
	unsigned char bits[8];

	/* 計算已有資訊的bits長度的位元組數的模64(64bytes = 512bits)。 */ 
	index = (context->count[0] >> 3) & 0x3F;
	/* 計算需要填充的位元組數,padLen的取值範圍在1-64之間 */
	padlen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index);

	/* 將要被轉換的資訊(所有的)的bits長度拷貝到bits中 */
	MD5Encode(bits, context->count, 8);
	/*  */
	MD5Update(context, PADDING, padlen);

	/* 補上原始資訊的bits長度(bits長度固定的用64bits表示),這一次能夠恰巧湊夠512bits,不會多也不會少 */
	MD5Update(context, bits, 8);

	/* 將最終的結果儲存到digest中。ok,終於大功告成了 */
	MD5Encode(digest, context->state, 16);
}

/* Encodes input (UINT4) into output (unsigned char). Assumes len is 
  a multiple of 4. */  
/*將4位元組的整數copy到字元形式的緩衝區中 
output:用於輸出的字元緩衝區 
input:欲轉換的四位元組的整數形式的陣列 
len:output緩衝區的長度,要求是4的整數倍 
*/  
static void MD5Encode(unsigned char *output, unsigned int *input, unsigned int len)
{
	unsigned int i = 0, j = 0;
	while (j < len)
	{
		output[j] = input[i] & 0xFF;
		output[j + 1] = (input[i] >> 8) & 0xFF;
		output[j + 2] = (input[i] >> 16) & 0xFF;
		output[j + 3] = (input[i] >> 24) & 0xFF;
		i++;
		j += 4;
	}
}

/* Decodes input (unsigned char) into output (UINT4). Assumes len is 
  a multiple of 4. */  
/*與上面的函式正好相反,這一個把字元形式的緩衝區中的資料copy到4位元組的整數中(即以整數形式儲存) 
output:儲存轉換出的整數 
input:欲轉換的字元緩衝區 
len:輸入的字元緩衝區的長度,要求是4的整數倍 
*/ 
static void MD5Decode(unsigned int *output, unsigned char *input, unsigned int len)
{
	unsigned int i = 0, j = 0;
	while (j < len)
	{
		output[i] = (input[j]) |
					(input[j + 1] << 8) |
					(input[j + 2] << 16) |
					(input[j + 3] << 24);
		i++;
		j += 4;
	}
}

/* MD5 basic transformation. Transforms state based on block. */  
/* 
對512bits資訊(即block緩衝區)進行一次處理,每次處理包括四輪 
state[4]:md5結構中的state[4],用於儲存對512bits資訊加密的中間結果或者最終結果 
block[64]:欲加密的512bits資訊 
*/
static void MD5Transform(unsigned int state[4], unsigned char block[64])
{
	unsigned int a = state[0];
	unsigned int b = state[1];
	unsigned int c = state[2];
	unsigned int d = state[3];
	unsigned int x[64];

	MD5Decode(x, block, 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
            
           

相關推薦

no