關於MD5演演算法原理與常用實現方式

2022-08-18 14:01:42

定義

MD全稱Message-Digest，即資訊摘要，所以MD家族的演演算法也叫資訊摘要演演算法

MD家族有MD2、MD3、MD4、MD5，一代比一代強。

所以MD5是MD演演算法家族中，目前最常用的一種加密演演算法。

任何資訊，都可以通過MD5演演算法運算生成一個16位元組（128位元）的雜湊值，但卻無法通過這16個位元組的雜湊值獲得加密前的資訊。

最終這16個雜湊值，通常用一個長度為32的十六進位制字串來表示。

這就是MD5最重要的一個特性：加密不可逆。

MD5特點

加密不可逆，即無法通過密文得到原文。

不變性，即相同的原文，通過MD5演演算法得到的密文總是相同的。

雜湊性，即對原文作輕微的改動，都可導致最終的密文完全改變。

常見應用場景

1、校驗檔案的完整性

如果張三給李四傳了一個檔案，如何確認這個檔案傳給李四是完整的呢

張三傳檔案前，先對檔案做一個MD5加密，同時把MD5加密的密文傳給李四

李四收到檔案，也對該檔案做MD5加密，如果得到的密文和張三給的密文一樣，就說明檔案是完整的。

2、儲存使用者密碼

使用者密碼，理論上也不能直接明文儲存在資料庫中，因為一旦資料庫被破解，使用者的密碼就全部丟失了

所以可以將使用者密碼做一個MD5加密，然後將密文存在資料庫中

使用者登入的時候，可以將使用者的密碼進行MD5加密，然後比對密文和資料庫中的密文是否一致，來判斷使用者前臺填的密碼是否正確。

這只是一個思路，一般不會這麼簡單，一般生產環境會對使用者密碼加鹽加密等等的處理，使用者資訊更加重要的，則需要更加複雜的計算邏輯。

原理

MD5的加密過程，整體來看，就是先定義四個值，然後用這四個值，對原文資訊進行計算，並得到新的四個值，然後再對原文進行計算，再得到新的四個值，如此迴圈一定次數，最終對最後的這四個值進行簡單的字串拼接，就得到了最終的密文。

主要就是下面這3步：

1、填補資訊

用原文長度位數對512求餘，如果結果不為448，就填充到448位元。填充是第一位填1，後面填0。512-448=64，用這剩餘的64位元，記錄原文長度。

最終得到一個填補完的資訊（總長=原文長度+512位元）

2、拿到初始值

四個初始值，是MD5這個演演算法提前定義好的，分別是4個32位元的值，總共剛好128位元。

我們用ABCD命名：

A=0x01234567
B=0x89ABCDEF
C=0xFEDCBA98
D=0x76543210

3、真正的計算

計算分為多次迴圈，每次迴圈，都是用ABCD和原文在第一步填補完的資訊，進行計算，最終得到新的ABCD。最後將最後一次ABCD拼成字串，就是最終的密文。

迴圈先分為主迴圈，每個主迴圈中又套有子迴圈。
主迴圈次數 = 原文長度/512。
子迴圈次數 = 64次。

我們看看單次子迴圈都做了什麼：

下面是單次子迴圈真正的計算邏輯（這段實現摘自網友）：

圖中，A，B，C，D就是雜湊值的四個分組。每一次迴圈都會讓舊的ABCD產生新的ABCD。一共進行多少次迴圈呢？由處理後的原文長度決定。

假設處理後的原文長度是M
主迴圈次數 = M / 512
每個主迴圈中包含 512 / 32 * 4 = 64 次子迴圈。

上面這張圖所表達的就是單次子迴圈的流程。

下面對圖中其他元素一一解釋：

1.綠色F

圖中的綠色F，代表非線性函數。官方MD5所用到的函數有四種：

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))

在主迴圈下面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。

2.紅色“田”字

很簡單，紅色的田字代表相加的意思。

3.Mi

Mi是第一步處理後的原文。在第一步中，處理後原文的長度是512的整數倍。把原文的每512位元再分成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。

4.Ki

一個常數，在64次子迴圈中，每一次用到的常數都是不同的。

5.黃色的<<

FF(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+F(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)

<<<s表示迴圈左移s位

第一輪
 a=FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478)
 b=FF(d,a,b,c,M1,12,0xe8c7b756)
 c=FF(c,d,a,b,M2,17,0x242070db)
 d=FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee)
 a=FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)
 b=FF(d,a,b,c,M5,12,0x4787c62a)
 c=FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613)
 d=FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501)
 a=FF(a,b,c,d,M8,7,0x698098d8)
 b=FF(d,a,b,c,M9,12,0x8b44f7af)
 c=FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1)
 d=FF(b,c,d,a,M11,22,0x895cd7be)
 a=FF(a,b,c,d,M12,7,0x6b901122)
 b=FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193)
 c=FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e)
 d=FF(b,c,d,a,M15,22,0x49b40821)
 
第二輪
 a=GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562)
 b=GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340)
 c=GG(c,d,a,b,M11,14,0x265e5a51)
 d=GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa)
 a=GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)
 b=GG(d,a,b,c,M10,9,0x02441453)
 c=GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681)
 d=GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8)
 a=GG(a,b,c,d,M9,5,0x21e1cde6)
 b=GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6)
 c=GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87)
 d=GG(b,c,d,a,M8,20,0x455a14ed)
 a=GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905)
 b=GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8)
 c=GG(c,d,a,b,M7,14,0x676f02d9)
 d=GG(b,c,d,a,M12,20,0x8d2a4c8a)
 
第三輪
 a=HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942)
 b=HH(d,a,b,c,M8,11,0x8771f681)
 c=HH(c,d,a,b,M11,16,0x6d9d6122)
 d=HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c)
 a=HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44)
 b=HH(d,a,b,c,M4,11,0x4bdecfa9)
 c=HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60)
 d=HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70)
 a=HH(a,b,c,d,M13,4,0x289b7ec6)
 b=HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa)
 c=HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085)
 d=HH(b,c,d,a,M6,23,0x04881d05)
 a=HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039)
 b=HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5)
 c=HH(c,d,a,b,M15,16,0x1fa27cf8)
 d=HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665)
 
第四輪
 a=II(a,b,c,d,M0,6,0xf4292244)
 b=II(d,a,b,c,M7,10,0x432aff97)
 c=II(c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7)
 d=II(b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039)
 a=II(a,b,c,d,M12,6,0x655b59c3)
 b=II(d,a,b,c,M3,10,0x8f0ccc92)
 c=II(c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d)
 d=II(b,c,d,a,M1,21,0x85845dd1)
 a=II(a,b,c,d,M8,6,0x6fa87e4f)
 b=II(d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0)
 c=II(c,d,a,b,M6,15,0xa3014314)
 d=II(b,c,d,a,M13,21,0x4e0811a1)
 a=II(a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82)
 b=II(d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235)
 c=II(c,d,a,b,M2,15,0x2ad7d2bb)
 d=II(b,c,d,a,M9,21,0xeb86d391)

MD5為什麼不可逆

MD5不可逆的原因，從原理上來看，

第一是他使用了雜湊函數，即上面的FGHI函數。
第二是他在裡面用了大量的移位元運算，即<<<，這些是不可逆的

比如有10110011，我們左移三位，變成了10011000，高三位的101被頂了，低三位用0代替了，那此時就絕對不可能用10011000再逆向得到10110011了。

java實現和使用

public class MD5Util {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println(encodeString("123"));
    }
    public static String encodeString(String plainText) throws UnsupportedEncodingException {
        return encodeBytes(plainText.getBytes("UTF-8"));
    }
    public static String encodeBytes(byte[] bytes) {
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            md.update(bytes);
            byte b[] = md.digest();
            int i;
            StringBuffer buf = new StringBuffer("");
            for (int offset = 0; offset < b.length; offset++) {
                i = b[offset];
                if (i < 0) {
                    i += 256;
                }
                if (i < 16) {
                    buf.append("0");
                }
                buf.append(Integer.toHexString(i));
            }
            return buf.toString();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "";
    }
}

以上為個人經驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支援it145.com。