MD5算法描述[转百度百科]

算法描述

 

　　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。

　　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*512+448，即N*64+56个字节（Bytes），N为一个正整数。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，现在的信息的位长=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。

　　MD5中有四个32位被称作链接变量（Chaining Variable）的整数参数，他们分别为：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210。

　　当设置好这四个链接变量后，就开始进入算法的四轮循环运算。循环的次数是信息中512位信息分组的数目。

　　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。

　　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。再将所得结果向右环移一个不定的数，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。

　　以一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），<<

　　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, 7, 0xd76aa478)

　　FF(d, a, b, c, M1, 12, 0xe8c7b756)

　　FF(c, d, a, b, M2, 17, 0x242070db)

　　FF(b, c, d, a, M3, 22, 0xc1bdceee)

　　FF(a, b, c, d, M4, 7, 0xf57c0faf)

　　FF(d, a, b, c, M5, 12, 0x4787c62a)

　　FF(c, d, a, b, M6, 17, 0xa8304613)

　　FF(b, c, d, a, M7, 22, 0xfd469501)

　　FF(a, b, c, d, M8, 7, 0x698098d8)

　　FF(d, a, b, c, M9, 12, 0x8b44f7af)

　　FF(c, d, a, b, M10, 17, 0xffff5bb1)

　　FF(b, c, d, a, M11, 22, 0x895cd7be)

　　FF(a, b, c, d, M12, 7, 0x6b901122)

　　FF(d, a, b, c, M13, 12, 0xfd987193)

　　FF(c, d, a, b, M14, 17, 0xa679438e)

　　FF(b, c, d, a, M15, 22, 0x49b40821)

　　第二轮

　　GG(a, b, c, d, M1, 5, 0xf61e2562)

　　GG(d, a, b, c, M6, 9, 0xc040b340)

　　GG(c, d, a, b, M11, 14, 0x265e5a51)

　　GG(b, c, d, a, M0, 20, 0xe9b6c7aa)

　　GG(a, b, c, d, M5, 5, 0xd62f105d)

　　GG(d, a, b, c, M10, 9, 0x02441453)

　　GG(c, d, a, b, M15, 14, 0xd8a1e681)

　　GG(b, c, d, a, M4, 20, 0xe7d3fbc8)

　　GG(a, b, c, d, M9, 5, 0x21e1cde6)

　　GG(d, a, b, c, M14, 9, 0xc33707d6)

　　GG(c, d, a, b, M3, 14, 0xf4d50d87)

　　GG(b, c, d, a, M8, 20, 0x455a14ed)

　　GG(a, b, c, d, M13, 5, 0xa9e3e905)

　　GG(d, a, b, c, M2, 9, 0xfcefa3f8)

　　GG(c, d, a, b, M7, 14, 0x676f02d9)

　　GG(b, c, d, a, M12, 20, 0x8d2a4c8a)

　　第三轮

　　HH(a, b, c, d, M5, 4, 0xfffa3942)

　　HH(d, a, b, c, M8, 11, 0x8771f681)

　　HH(c, d, a, b, M11, 16, 0x6d9d6122)

　　HH(b, c, d, a, M14, 23, 0xfde5380c)

　　HH(a, b, c, d, M1, 4, 0xa4beea44)

　　HH(d, a, b, c, M4, 11, 0x4bdecfa9)

　　HH(c, d, a, b, M7, 16, 0xf6bb4b60)

　　HH(b, c, d, a, M10, 23, 0xbebfbc70)

　　HH(a, b, c, d, M13, 4, 0x289b7ec6)

　　HH(d, a, b, c, M0, 11, 0xeaa127fa)

　　HH(c, d, a, b, M3, 16, 0xd4ef3085)

　　HH(b, c, d, a, M6, 23, 0x04881d05)

　　HH(a, b, c, d, M9, 4, 0xd9d4d039)

　　HH(d, a, b, c, M12, 11, 0xe6db99e5)

　　HH(c, d, a, b, M15, 16, 0x1fa27cf8)

　　HH(b, c, d, a, M2, 23, 0xc4ac5665)

　　第四轮

　　II(a, b, c, d, M0, 6, 0xf4292244)

　　II(d, a, b, c, M7, 10, 0x432aff97)

　　II(c, d, a, b, M14, 15, 0xab9423a7)

　　II(b, c, d, a, M5, 21, 0xfc93a039)

　　II(a, b, c, d, M12, 6, 0x655b59c3)

　　II(d, a, b, c, M3, 10, 0x8f0ccc92)

　　II(c, d, a, b, M10, 15, 0xffeff47d)

　　II(b, c, d, a, M1, 21, 0x85845dd1)

　　II(a, b, c, d, M8, 6, 0x6fa87e4f)

　　II(d, a, b, c, M15, 10, 0xfe2ce6e0)

　　II(c, d, a, b, M6, 15, 0xa3014314)

　　II(b, c, d, a, M13, 21, 0x4e0811a1)

　　II(a, b, c, d, M4, 6, 0xf7537e82)

　　II(d, a, b, c, M11, 10, 0xbd3af235)

　　II(c, d, a, b, M2, 15, 0x2ad7d2bb)

　　II(b, c, d, a, M9, 21, 0xeb86d391)

　　常数ti可以如下选择：

　　在第i步中，ti是4294967296*abs(sin(i))的整数部分，i的单位是弧度。(4294967296等于2的32次方)

　　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。

　　当你按照我上面所说的方法实现MD5算法以后，你可以用以下几个信息对你做出来的程序作一个简单的测试，看看程序有没有错误。

　　MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e

　　MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661

　　MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72

　　MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0

　　MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b

　　MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789") =

　　d174ab98d277d9f5a5611c2c9f419d9f

 

　　具体的一个MD5实现

　　/* 　　* md5 -- compute and check MD5 message digest. 　　* this version only can calculate the char string. 　　* 　　* MD5 (Message-Digest algorithm 5) is a widely used, partially 　　* insecure cryptographic hash function with a 128-bit hash value. 　　* 　　* Author: redraiment 　　* Date: Aug 27, 2008 　　* Version: 0.1.6 　　*/ 　　#include <stdlib.h> 　　#include <string.h> 　　#include <stdio.h> 　　#include <math.h> 　　#define SINGLE_ONE_BIT 0x80 　　#define BLOCK_SIZE 512 　　#define MOD_SIZE 448 　　#define APP_SIZE 64 　　#define BITS 8 　　// MD5 Chaining Variable 　　#define A 0x67452301UL 　　#define B 0xEFCDAB89UL 　　#define C 0x98BADCFEUL 　　#define D 0x10325476UL 　　// Creating own types 　　#ifdef UINT64 　　# undef UINT64 　　#endif 　　#ifdef UINT32 　　# undef UINT32 　　#endif 　　typedef unsigned long long UINT64; 　　typedef unsigned long UINT32; 　　typedef unsigned char UINT8; 　　typedef struct 　　{ 　　char * message; 　　UINT64 length; 　　}STRING; 　　const UINT32 X[4][2] = {​{0, 1}, {1, 5}, {5, 3}, {0, 7}}; 　　// Constants for MD5 transform routine. 　　const UINT32 S[4][4] = { 　　{ 7, 12, 17, 22 }, 　　{ 5, 9, 14, 20 }, 　　{ 4, 11, 16, 23 }, 　　{ 6, 10, 15, 21 } 　　}; 　　// F, G, H and I are basic MD5 functions. 　　UINT32 F( UINT32 X, UINT32 Y, UINT32 Z ) 　　{ 　　return ( X & Y ) | ( ~X & Z ); 　　} 　　UINT32 G( UINT32 X, UINT32 Y, UINT32 Z ) 　　{ 　　return ( X & Z ) | ( Y & ~Z ); 　　} 　　UINT32 H( UINT32 X, UINT32 Y, UINT32 Z ) 　　{ 　　return X ^ Y ^ Z; 　　} 　　UINT32 I( UINT32 X, UINT32 Y, UINT32 Z ) 　　{ 　　return Y ^ ( X | ~Z ); 　　} 　　// rotates x left s bits. 　　UINT32 rotate_left( UINT32 x, UINT32 s ) 　　{ 　　return ( x << s ) | ( x >> ( 32 - s ) ); 　　} 　　// Pre-processin 　　UINT32 count_padding_bits ( UINT32 length ) 　　{ 　　UINT32 div = length * BITS / BLOCK_SIZE; 　　UINT32 mod = length * BITS % BLOCK_SIZE; 　　UINT32 c_bits; 　　if ( mod == 0 ) 　　c_bits = BLOCK_SIZE; 　　else 　　c_bits = ( MOD_SIZE + BLOCK_SIZE - mod ) % BLOCK_SIZE; 　　return c_bits / BITS; 　　} 　　STRING append_padding_bits ( char * argv ) 　　{ 　　UINT32 msg_length = strlen ( argv ); 　　UINT32 bit_length = count_padding_bits ( msg_length ); 　　UINT64 app_length = msg_length * BITS; 　　STRING string; 　　string.message = (char *)malloc(msg_length + bit_length + APP_SIZE / BITS); 　　// Save message 　　strncpy ( string.message, argv, msg_length ); 　　// Pad out to mod 64. 　　memset ( string.message + msg_length, 0, bit_length ); 　　string.message [ msg_length ] = SINGLE_ONE_BIT; 　　// Append length (before padding). 　　memmove ( string.message + msg_length + bit_length, (char *)&app_length, sizeof( UINT64 ) ); 　　string.length = msg_length + bit_length + sizeof( UINT64 ); 　　return string; 　　} 　　int main ( int argc, char *argv[] ) 　　{ 　　STRING string; 　　UINT32 w[16]; 　　UINT32 chain[4]; 　　UINT32 state[4]; 　　UINT8 r[16]; 　　UINT32 ( *auxi[ 4 ])( UINT32, UINT32, UINT32 ) = { F, G, H, I }; 　　int roundIdx; 　　int argIdx; 　　int sIdx; 　　int wIdx; 　　int i; 　　int j; 　　if ( argc < 2 ) 　　{ 　　fprintf ( stderr, "usage: %s string .../n", argv[ 0 ] ); 　　return EXIT_FAILURE; 　　} 　　for ( argIdx = 1; argIdx < argc; argIdx++ ) 　　{ 　　string = append_padding_bits ( argv[ argIdx ] ); 　　// MD5 initialization. 　　chain[0] = A; 　　chain[1] = B; 　　chain[2] = C; 　　chain[3] = D; 　　for ( j = 0; j < string.length; j += BLOCK_SIZE / BITS) 　　{ 　　memmove ( (char *)w, string.message + j, BLOCK_SIZE / BITS ); 　　memmove ( state, chain, sizeof(chain) ); 　　for ( roundIdx = 0; roundIdx < 4; roundIdx++ ) 　　{ 　　wIdx = X[ roundIdx ][ 0 ]; 　　sIdx = 0; 　　for ( i = 0; i < 16; i++ ) 　　{ 　　// FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4. 　　// Rotation is separate from addition to prevent recomputation. 　　state[sIdx] = state [ (sIdx + 1) % 4 ] + 　　rotate_left ( state[sIdx] + 　　( *auxi[ roundIdx ] ) 　　( state[(sIdx+1) % 4], state[(sIdx+2) % 4], state[(sIdx+3) % 4]) + 　　w[ wIdx ] + 　　(UINT32)floor( (1ULL << 32) * fabs(sin( roundIdx * 16 + i + 1 )) ), 　　S[ roundIdx ][ i % 4 ]); 　　sIdx = ( sIdx + 3 ) % 4; 　　wIdx = ( wIdx + X[ roundIdx ][ 1 ] ) & 0xF; 　　} 　　} 　　chain[ 0 ] += state[ 0 ]; 　　chain[ 1 ] += state[ 1 ]; 　　chain[ 2 ] += state[ 2 ]; 　　chain[ 3 ] += state[ 3 ]; 　　} 　　memmove ( r + 0, (char *)&chain[0], sizeof(UINT32) ); 　　memmove ( r + 4, (char *)&chain[1], sizeof(UINT32) ); 　　memmove ( r + 8, (char *)&chain[2], sizeof(UINT32) ); 　　memmove ( r + 12, (char *)&chain[3], sizeof(UINT32) ); 　　for ( i = 0; i < 16; i++ ) 　　printf ( "%02x", r[i] ); 　　putchar ( '/n' ); 　　} 　　return EXIT_SUCCESS; 　　} 　　/* 以上程序可以在任意一款支持ANSI C的编译器上编译通过 */