寫在前面

??在之前的工作中，用到了CRC16、MD5 和 SHA1 算法，主要用來校驗下發的文件。網上關于這些算法的文章鋪天蓋地，以下內容僅僅是自己在學習時候的一個記錄，一些套話來自于互聯網。下面先來看看 MD5。
?? 以下算法分析基于 RFC 1321。

Request For Comments (RFC），所有關于Internet 的正式標準都是以RFC(Request for Comment )文檔出版。需要注意的是，還有大量的RFC文檔都不是正式的標準，出版目的都是為了提供信息。

由互聯網協會（Internet Society，簡稱ISOC）贊助發行，會交到互聯網工程工作小組（IETF）和互聯網結構委員會（IAB）。文檔可由網站 https://www.ietf.org/ 下載。

什么是 MD5

??全稱是 MD5 消息摘要算法（The MD5 Message-Digest Algorithm），對輸入任意長度的消息進行處理，最終產生一個128位的消息摘要（散列值（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，于1992年公開，用以取代 MD4 算法。這套算法的程序在 RFC 1321 中被加以規范（具體見附件）。

MD5 是 MD4 的升級版，MD4 是麻省理工學院教授 Ronald Rivest 于1990年設計的一種信息摘要算法，目前用的也不是很多。再之前還有個 MD2，好像是 1989年發布的，目前基本已被淘汰。

散列（Hash）： 把任意長度的輸入（又叫做預映射， pre-image），通過散列算法，變換成固定長度的輸出，該輸出就是散列值。

雜湊沖撞/散列沖撞： 發現兩段原文對應同一個MD5，則稱為一次雜湊散列碰撞。

與 MD4 區別

根據規范文檔，主要有以下幾點：

增加了第四輪

每一步均有唯一的加法常數

為減弱第二輪中函數G的對稱性從 (X&Y)|(X&Z)|(Y&Z) 變為 (X&Z)|(Y&(~Z))

第一步加上了上一步的結果，這將引起更快的雪崩效應

改變了第二輪和第三輪中訪問消息子分組的次序，使其更不相似

近似優化了每一輪中的循環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年后被證實存在弱點，可以被加以破解。2004年，證實 MD5 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 及其他相關散列函數的散列沖撞。

實現原理

??MD5 以 512 位分組來處理輸入的信息，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后，算法的輸出由四個32位分組組成，將這四個32位分組級聯后將生成一個128位散列值。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）

根據算法文檔的描述，總共可以分為五步：

• 第一步：附加填充位： 如果輸入信息的長度(bit)對512求余的結果不等于448，就需要填充使得對512求余的結果等于448。這里主要是為了保證計算的最后一定為512bits。具體看參見后文源碼的函數：void MD5Final(MD5_CTX *context, unsigned char digest[16])
  ??填充方法： 在消息后面進行填充，填充第一位為1，其余為0。具體見下面源碼的數組unsigned char PADDING[]
• 第二步：附加長度： 用64位來存儲填充前信息長度。這64位加在第一步結果的后面。將總的比特位位數附加到最后一包的最后，進行轉換。448 + 64 = 512
• 第三步：初始化 MD 緩沖區： 四個字（每個字32位）初始值（A，B，C，D）用于計算消息摘要。依次為：A = 0x67452301，B = 0xEFCDAB89，C = 0x98BADCFE，D = 0x10325476
• 第四步：處理輸入的數據： 這一步較為復雜，總共分兩層循環：第一層為消息長度分的512bits的總包數（注意第一步的填充）下面的源碼中，函數void MD5Update(MD5_CTX *context, unsigned char *input, unsigned int inputlen)就是處理這層循環的，第二層循環為 16個32位子分組，以下面四個分組計算，共64次循環。下面的源碼中，函數static void MD5Transform(unsigned int state[4], unsigned char block[64])就是處理這層循環的。
• 規范定義了四個輔助函數，每個函數將三個32位字作為輸入，并產生一個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次子循環中，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))
• 設 Mj 表示消息的第 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次子循環中，每16次循環，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)
• 四輪運算，算法規定必須是四輪。具體見下面源碼的函數 static void MD5Transform(unsigned int state[4], unsigned char block[64])

??舉個例子，假設輸入的消息長度為N，那么第一層循環次數為 N / 512 (還需要考慮填充)，第二層循環次數為512 / 32 *4 = 64。具體來看看下圖（來自于維基百科的MD5介紹）。

??這張圖所表達的就是 單次子循環 的流程。圖中的綠色F，代表以上四個輔助函數中的 F；紅色的田字代表相加；Mi表示分為32位后的第 i 包數據；Ki是一個算法規定的常量，在64次子循環中，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： 作為輸出產生的消息摘要是A，B，C，D。也就是說，我們從A的低位字節開始，以D的高位字節結束。

源碼

??在RFC 1321文檔中，作者不進給出了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 代碼，下文說明就是基于該代碼的。代碼稍微簡化了一下，因此與原文中的代碼可能稍有不同。
??仔細閱讀以下源碼會發現，源碼的實現并不是嚴格按照上面說的順序實現的。以下源碼有非常詳細的注釋，具體參看注釋即可，不在做過多說明。

• MD5.h

#ifndef MD5_H #define MD5_H/* MD5 context. */ typedef struct {/* 存儲原始信息的bits數長度(不包括填充的bits)，最長為 2^64 bits。如果消息長度大于2^64，則只使用其低64位的值，即（消息長度 對 2^64取模） */unsigned int count[2];/* 四個32bits數，用于存放最終計算得到的消息摘要。當消息長度大于 512bits時，也用于存放每個512bits的中間結果 */ unsigned int state[4];/*存放輸入的信息的緩沖區，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算法本身規定的基本函數 */ #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循環左移n位*/ #define ROTATE_LEFT(x, n) ((x << n) | (x >> (32 - n)))/** MD5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; \ }/** * 用于bits填充的緩沖區，為什么要64個字節呢？因為當欲加密的信息的bits數被512除其余數為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) {/* 將當前的有效信息的長度設成 0 */context->count[0] = 0;context->count[1] = 0;/* Load magic initialization constants.*//* 初始化鏈接變量，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. */ /* 將與加密的信息傳遞給md5結構，可以多次調用 context：初始化過了的md5結構 input：欲加密的信息，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;/* 計算已有信息的bits長度的字節數的模64（64bytes = 512bits）。 用于判斷已有信息加上當前傳過來的信息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：算字節數； 后面的 & 3F 就是 Mod 64 */partlen = 64 - index; /* 計算已有的字節數長度還差多少字節可以湊成 64Bytes（512bits） *//* 保存輸入信息的比特位數 */context->count[0] += inputlen << 3;if (context->count[0] < (inputlen << 3)){context->count[1]++;}context->count[1] += inputlen >> 29;/* 如果當前輸入的字節數 大于 已有字節數長度補足64字節整倍數所差的字節數 */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);/* 用基本函數對填充滿的512bits（已經保存到context->buffer中） 做一次轉換，轉換結果保存到context->state中 */MD5Transform(context->state, context->buffer);/* 對當前輸入的剩余字節做轉換（如果剩余的字節大于512bits的話 ）， 轉換結果保存到context->state中 */for (i = partlen; i + 64 <= inputlen; i += 64){MD5Transform(context->state, &input[i]);}index = 0;}else{i = 0;}/*將輸入緩沖區中的不足填充滿512bits的剩余內容填充到context->buffer中，留待以后再作處理*/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：保存最終的加密串 context：你前面初始化并填入了信息的md5結構 */ void MD5Final(MD5_CTX *context, unsigned char digest[16]) {unsigned int index = 0, padlen = 0;unsigned char bits[8];/* 計算已有信息的bits長度的字節數的模64（64bytes = 512bits）。 */ index = (context->count[0] >> 3) & 0x3F;/* 計算需要填充的字節數，padLen的取值范圍在1-64之間 */padlen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index);/* 將要被轉換的信息(所有的)的bits長度拷貝到bits中 */MD5Encode(bits, context->count, 8);/* */MD5Update(context, PADDING, padlen);/* 補上原始信息的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);/* 將最終的結果保存到digest中。ok，終于大功告成了 */MD5Encode(digest, context->state, 16); }/* Encodes input (UINT4) into output (unsigned char). Assumes len is a multiple of 4. */ /*將4字節的整數copy到字符形式的緩沖區中 output：用于輸出的字符緩沖區 input：欲轉換的四字節的整數形式的數組 len：output緩沖區的長度，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. */ /*與上面的函數正好相反，這一個把字符形式的緩沖區中的數據copy到4字節的整數中（即以整數形式保存） output：保存轉換出的整數 input：欲轉換的字符緩沖區 len：輸入的字符緩沖區的長度，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信息(即block緩沖區)進行一次處理，每次處理包括四輪 state[4]：md5結構中的state[4]，用于保存對512bits信息加密的中間結果或者最終結果 block[64]：欲加密的512bits信息 */ 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, b, x[15], S23, 0xd8a1e681); /* 23 */GG(b, c, d, a, x[4], S24, 0xe7d3fbc8); /* 24 */GG(a, b, c, d, x[9], S21, 0x21e1cde6); /* 25 */GG(d, a, b, c, x[14], S22, 0xc33707d6); /* 26 */GG(c, d, a, b, x[3], S23, 0xf4d50d87); /* 27 */GG(b, c, d, a, x[8], S24, 0x455a14ed); /* 28 */GG(a, b, c, d, x[13], S21, 0xa9e3e905); /* 29 */GG(d, a, b, c, x[2], S22, 0xfcefa3f8); /* 30 */GG(c, d, a, b, x[7], S23, 0x676f02d9); /* 31 */GG(b, c, d, a, x[12], S24, 0x8d2a4c8a); /* 32 *//* Round 3 */HH(a, b, c, d, x[5], S31, 0xfffa3942); /* 33 */HH(d, a, b, c, x[8], S32, 0x8771f681); /* 34 */HH(c, d, a, b, x[11], S33, 0x6d9d6122); /* 35 */HH(b, c, d, a, x[14], S34, 0xfde5380c); /* 36 */HH(a, b, c, d, x[1], S31, 0xa4beea44); /* 37 */HH(d, a, b, c, x[4], S32, 0x4bdecfa9); /* 38 */HH(c, d, a, b, x[7], S33, 0xf6bb4b60); /* 39 */HH(b, c, d, a, x[10], S34, 0xbebfbc70); /* 40 */HH(a, b, c, d, x[13], S31, 0x289b7ec6); /* 41 */HH(d, a, b, c, x[0], S32, 0xeaa127fa); /* 42 */HH(c, d, a, b, x[3], S33, 0xd4ef3085); /* 43 */HH(b, c, d, a, x[6], S34, 0x4881d05); /* 44 */HH(a, b, c, d, x[9], S31, 0xd9d4d039); /* 45 */HH(d, a, b, c, x[12], S32, 0xe6db99e5); /* 46 */HH(c, d, a, b, x[15], S33, 0x1fa27cf8); /* 47 */HH(b, c, d, a, x[2], S34, 0xc4ac5665); /* 48 *//* Round 4 */II(a, b, c, d, x[0], S41, 0xf4292244); /* 49 */II(d, a, b, c, x[7], S42, 0x432aff97); /* 50 */II(c, d, a, b, x[14], S43, 0xab9423a7); /* 51 */II(b, c, d, a, x[5], S44, 0xfc93a039); /* 52 */II(a, b, c, d, x[12], S41, 0x655b59c3); /* 53 */II(d, a, b, c, x[3], S42, 0x8f0ccc92); /* 54 */II(c, d, a, b, x[10], S43, 0xffeff47d); /* 55 */II(b, c, d, a, x[1], S44, 0x85845dd1); /* 56 */II(a, b, c, d, x[8], S41, 0x6fa87e4f); /* 57 */II(d, a, b, c, x[15], S42, 0xfe2ce6e0); /* 58 */II(c, d, a, b, x[6], S43, 0xa3014314); /* 59 */II(b, c, d, a, x[13], S44, 0x4e0811a1); /* 60 */II(a, b, c, d, x[4], S41, 0xf7537e82); /* 61 */II(d, a, b, c, x[11], S42, 0xbd3af235); /* 62 */II(c, d, a, b, x[2], S43, 0x2ad7d2bb); /* 63 */II(b, c, d, a, x[9], S44, 0xeb86d391); /* 64 */state[0] += a;state[1] += b;state[2] += c;state[3] += d; }

使用方式

??在實際使用時，往往需要多次調用循環計算。因為要計算的內容可能很長，需要分包一次次計算。上面的源碼就是考慮到該種問題而實現的！使用方式如下：

MD5_CTX md5;unsigned char encrypt[] = "admin"; //21232f297a57a5a743894a0e4a801fc3unsigned char decrypt[16];/* 計算前，先初始化 */MD5Init(&md5);/* 多次調用 MD5Update 循環計算多個包數據（如果有的話） */MD5Update(&md5, encrypt, strlen((char *)encrypt));/* 最后調用 MD5Final 獲取最終結果 */MD5Final(&md5, decrypt);

最終，在數組decrypt中存放的就是最終計算結果！

附件

MD5 算法 官方文檔 rfc1321

與50位技術專家面對面20年技術見證，附贈技術全景圖

總結

以上是生活随笔為你收集整理的常用算法 之一 详解 MD5 实现（基于算法的官方原文档）及源码详细注释的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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