MD5算法解析
MD5的全称是Message-Digest Algorithm 5，在90年代初由MIT的计算机科学实验室和RSA Data Security Inc发明，经MD2、MD3和MD4发展而来。
MD5将任意长度的“字节串”变换成一个128bit的大整数，并且它是一个不可逆的字符串变换算法，换句话说就是，即使你看到源程序和算法描述，也无法将一个MD5的值变换回原始的字符串，从数学原理上说，是因为原始的字符串有无穷多个，这有点象不存在反函数的数学函数。
MD5的典型应用是对一段Message(字节串)产生fingerprint(指纹)，以防止被“篡改”。举个例子，你将一段话写在一个叫 readme.txt文件中，并对这个readme.txt产生一个MD5的值并记录在案，然后你可以传播这个文件给别人，别人如果修改了文件中的任何内容，你对这个文件重新计算MD5时就会发现。如果再有一个第三方的认证机构，用MD5还可以防止文件作者的“抵赖”，这就是所谓的数字签名应用。
MD5还广泛用于加密和解密技术上，在很多操作系统中，用户的密码是以MD5值（或类似的其它算法）的方式保存的， 用户Login的时候，系统是把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和系统中保存的MD5值进行比较，而系统并不“知道”用户的密码是什么。
在一些初始化处理后，MD5以512位分组来处理输入文本，每一分组又划分为16个32位子分组。算法的输出由四个32位分组组成，将它们级联形成一个128位散列值。
首先填充消息使其长度恰好为一个比512位的倍数仅小64位的数。填充方法是附一个1在消息后面，后接所要求的多个0，然后在其后附上64位的消息长度（填充前）。这两步的作用是使消息长度恰好是512位的整数倍（算法的其余部分要求如此），同时确保不同的消息在填充后不相同。
四个32位变量初始化为：
A=0×01234567
B=0×89abcdef
C=0xfedcba98
D=0×76543210
它们称为链接变量（chaining variable）
接着进行算法的主循环，循环的次数是消息中512位消息分组的数目。
将上面四个变量复制到别外的变量中：A到a，B到b，C到c，D到d。
主循环有四轮（MD4只有三轮），每轮很相拟。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)
这些函数是这样设计的：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。
函数F是按逐位方式操作：如果X，那么Y，否则Z。函数H是逐位奇偶操作符。
设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），<<< s表示循环左移s位，则四种操作为：
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,M2,17,0×242070db)
FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee)
FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)
FF(d,a,b,c,M5,12,0×4787c62a)
FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613)
FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501)
FF(a,b,c,d,M8,7,0×698098d8)
FF(d,a,b,c,M9,12,0×8b44f7af)
FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1)
FF(b,c,d,a,M11,22,0×895cd7be)
FF(a,b,c,d,M12,7,0×6b901122)
FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193)
FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e)
FF(b,c,d,a,M15,22,0×49b40821)
第二轮
GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562)
GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340)
GG(c,d,a,b,M11,14,0×265e5a51)
GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa)
GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)
GG(d,a,b,c,M10,9,0×02441453)
GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681)
GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8)
GG(a,b,c,d,M9,5,0×21e1cde6)
GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6)
GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87)
GG(b,c,d,a,M8,20,0×455a14ed)
GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905)
GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8)
GG(c,d,a,b,M7,14,0×676f02d9)
GG(b,c,d,a,M12,20,0×8d2a4c8a)
第三轮
HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942)
HH(d,a,b,c,M8,11,0×8771f681)
HH(c,d,a,b,M11,16,0×6d9d6122)
HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c)
HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44)
HH(d,a,b,c,M4,11,0×4bdecfa9)
HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60)
HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70)
HH(a,b,c,d,M13,4,0×289b7ec6)
HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa)
HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085)
HH(b,c,d,a,M6,23,0×04881d05)
HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039)
HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5)
HH(c,d,a,b,M15,16,0×1fa27cf8)
HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665)
第四轮
II(a,b,c,d,M0,6,0xf4292244)
II(d,a,b,c,M7,10,0×432aff97)
II(c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7)
II(b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039)
II(a,b,c,d,M12,6,0×655b59c3)
II(d,a,b,c,M3,10,0×8f0ccc92)
II(c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d)
II(b,c,d,a,M1,21,0×85845dd1)
II(a,b,c,d,M8,6,0×6fa87e4f)
II(d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0)
II(c,d,a,b,M6,15,0xa3014314)
II(b,c,d,a,M13,21,0×4e0811a1)
II(a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82)
II(d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235)
II(c,d,a,b,M2,15,0×2ad7d2bb)
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。
(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。
MD5的安全性
MD5相对MD4所作的改进：
1.增加了第四轮.
2.每一步均有唯一的加法常数.
3.为减弱第二轮中函数G的对称性从(X&Y)|(X&Z)|(Y&Z)变为(X&Z)|(Y&(~Z))
4.第一步加上了上一步的结果,这将引起更快的雪崩效应.
5.改变了第二轮和第三轮中访问消息子分组的次序,使其更不相似.
6.近似优化了每一轮中的循环左移位移量以实现更快的雪崩效应.各轮的位移量互不相同.
MD5源码
/* md5.h */ #ifndef _MD5_H_ #define _MD5_H_ #define R_memset(x, y, z) memset(x, y, z) #define R_memcpy(x, y, z) memcpy(x, y, z) #define R_memcmp(x, y, z) memcmp(x, y, z) typedef unsigned long UINT4; typedef unsigned char *POINTER; /* MD5 context. */ typedef struct { /* state (ABCD) */ /*四个32bits数，用于存放最终计算得到的消息摘要。当消息长度〉512bits时，也用于存放每个512bits的中间结果*/ UINT4 state[4]; /* number of bits, modulo 2^64 (lsb first) */ /*存储原始信息的bits数长度,不包括填充的bits，最长为 2^64 bits，因为2^64是一个64位数的最大值*/ UINT4 count[2]; /* input buffer */ /*存放输入的信息的缓冲区，512bits*/ unsigned char buffer[64]; } MD5_CTX; void MD5Init(MD5_CTX *); void MD5Update(MD5_CTX *, unsigned char *, unsigned int); void MD5Final(unsigned char [16], MD5_CTX *); #endif /* _MD5_H_ *//* md5.cpp */ #include "stdafx.h" /* Constants for MD5Transform routine. */ /*md5转换用到的常量，算法本身规定的*/ #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 static void MD5Transform(UINT4 [4], unsigned char [64]); static void Encode(unsigned char *, UINT4 *, unsigned int); static void Decode(UINT4 *, unsigned char *, unsigned int); /* 用于bits填充的缓冲区，为什么要64个字节呢？因为当欲加密的信息的bits数被512除其余数为448时， 需要填充的bits的最大值为512=64*8 。 */ static unsigned char PADDING[64] = { 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 }; /* 接下来的这几个宏定义是md5算法规定的，就是对信息进行md5加密都要做的运算。 据说有经验的高手跟踪程序时根据这几个特殊的操作就可以断定是不是用的md5 */ /* F, G, H and I are basic MD5 functions. */ #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))) /* ROTATE_LEFT rotates x left n bits. */ #define ROTATE_LEFT(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n)))) /* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4. Rotation is separate from addition to prevent recomputation. */ #define FF(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += F ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define GG(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += G ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define HH(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += H ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define II(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += I ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } /* MD5 initialization. Begins an MD5 operation, writing a new context. */ /*初始化md5的结构*/ void MD5Init (MD5_CTX *context) { /*将当前的有效信息的长度设成0,这个很简单,还没有有效信息,长度当然是0了*/ context->count[0] = context->count[1] = 0; /* Load magic initialization constants.*/ /*初始化链接变量，算法要求这样，这个没法解释了*/ 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. */ /*将与加密的信息传递给md5结构，可以多次调用 context：初始化过了的md5结构 input：欲加密的信息，可以任意长 inputLen：指定input的长度 */ void MD5Update(MD5_CTX *context,unsigned char * input,unsigned int inputLen) { unsigned int i, index, partLen; /* Compute number of bytes mod 64 */ /*计算已有信息的bits长度的字节数的模64, 64bytes=512bits。 用于判断已有信息加上当前传过来的信息的总长度能不能达到512bits， 如果能够达到则对凑够的512bits进行一次处理*/ index = (unsigned int)((context->count[0] >> 3) & 0x3F); /* Update number of bits *//*更新已有信息的bits长度*/ if((context->count[0] += ((UINT4)inputLen << 3)) < ((UINT4)inputLen << 3)) context->count[1]++; context->count[1] += ((UINT4)inputLen >> 29); /*计算已有的字节数长度还差多少字节可以 凑成64的整倍数*/ partLen = 64 - index; /* Transform as many times as possible. */ /*如果当前输入的字节数 大于 已有字节数长度补足64字节整倍数所差的字节数*/ if(inputLen >= partLen) { /*用当前输入的内容把context->buffer的内容补足512bits*/ R_memcpy((POINTER)&context->buffer[index], (POINTER)input, partLen); /*用基本函数对填充满的512bits（已经保存到context->buffer中） 做一次转换，转换结果保存到context->state中*/ MD5Transform(context->state, context->buffer); /* 对当前输入的剩余字节做转换（如果剩余的字节<在输入的input缓冲区中>大于512bits的话 ）， 转换结果保存到context->state中 */ for(i = partLen; i + 63 < inputLen; i += 64)/*把i+63<inputlen改为i+64<=inputlen更容易理解*/ MD5Transform(context->state, &input[i]); index = 0; } else i = 0; /* Buffer remaining input */ /*将输入缓冲区中的不足填充满512bits的剩余内容填充到context->buffer中，留待以后再作处理*/ R_memcpy((POINTER)&context->buffer[index], (POINTER)&input[i], inputLen-i); } /* MD5 finalization. Ends an MD5 message-digest operation, writing the the message digest and zeroizing the context. */ /*获取加密 的最终结果 digest：保存最终的加密串 context：你前面初始化并填入了信息的md5结构 */ void MD5Final (unsigned char digest[16],MD5_CTX *context) { unsigned char bits[8]; unsigned int index, padLen; /* Save number of bits */ /*将要被转换的信息(所有的)的bits长度拷贝到bits中*/ Encode(bits, context->count, 8); /* Pad out to 56 mod 64. */ /* 计算所有的bits长度的字节数的模64, 64bytes=512bits*/ index = (unsigned int)((context->count[0] >> 3) & 0x3f); /*计算需要填充的字节数，padLen的取值范围在1-64之间*/ padLen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index); /*这一次函数调用绝对不会再导致MD5Transform的被调用，因为这一次不会填满512bits*/ MD5Update(context, PADDING, padLen); /* Append length (before padding) */ /*补上原始信息的bits长度（bits长度固定的用64bits表示），这一次能够恰巧凑够512bits，不会多也不会少*/ MD5Update(context, bits, 8); /* Store state in digest */ /*将最终的结果保存到digest中。ok，终于大功告成了*/ Encode(digest, context->state, 16); /* Zeroize sensitive information. */ R_memset((POINTER)context, 0, sizeof(*context)); } /* MD5 basic transformation. Transforms state based on block. */ /* 对512bits信息(即block缓冲区)进行一次处理，每次处理包括四轮 state[4]：md5结构中的state[4]，用于保存对512bits信息加密的中间结果或者最终结果 block[64]：欲加密的512bits信息 */ static void MD5Transform (UINT4 state[4], unsigned char block[64]) { UINT4 a = state[0], b = state[1], c = state[2], d = state[3], x[16]; Decode(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; /* Zeroize sensitive information. */ R_memset((POINTER)x, 0, sizeof(x)); } /* Encodes input (UINT4) into output (unsigned char). Assumes len is a multiple of 4. */ /*将4字节的整数copy到字符形式的缓冲区中 output：用于输出的字符缓冲区 input：欲转换的四字节的整数形式的数组 len：output缓冲区的长度，要求是4的整数倍 */ static void Encode(unsigned char *output, UINT4 *input,unsigned int len) { unsigned int i, j; for(i = 0, j = 0; j < len; i++, j += 4) { output[j] = (unsigned char)(input[i] & 0xff); output[j+1] = (unsigned char)((input[i] >> 8) & 0xff); output[j+2] = (unsigned char)((input[i] >> 16) & 0xff); output[j+3] = (unsigned char)((input[i] >> 24) & 0xff); } } /* Decodes input (unsigned char) into output (UINT4). Assumes len is a multiple of 4. */ /*与上面的函数正好相反，这一个把字符形式的缓冲区中的数据copy到4字节的整数中（即以整数形式保存） output：保存转换出的整数 input：欲转换的字符缓冲区 len：输入的字符缓冲区的长度，要求是4的整数倍 */ static void Decode(UINT4 *output, unsigned char *input,unsigned int len) { unsigned int i, j; for(i = 0, j = 0; j < len; i++, j += 4) output[i] = ((UINT4)input[j]) | (((UINT4)input[j+1]) << 8) | (((UINT4)input[j+2]) << 16) | (((UINT4)input[j+3]) << 24); }// md5test.cpp : Defines the entry point for the console application. // #include "stdafx.h" #include "string.h" int main(int argc, char* argv[]) { MD5_CTX md5; MD5Init(&md5); //初始化用于md5加密的结构 unsigned char encrypt[200]; //存放于加密的信息 unsigned char decrypt[17]; //存放加密后的结果 scanf("%s",encrypt); //输入加密的字符 MD5Update(&md5,encrypt,strlen((char *)encrypt)); //对欲加密的字符进行加密 MD5Final(decrypt,&md5); //获得最终结果 printf("加密前:%s\n加密后:",encrypt); for(int i=0;i<16;i++) printf("%2x ",decrypt[i]); printf("\n\n\n加密结束!\n"); return 0; }