MD5算法描述
作者：rufi 2004.06.22
當(dāng)我要寫一個MD5算法的程序時，發(fā)現(xiàn)中英文的語言描述都有一些不確切的地方，某些個細(xì)節(jié)
講得不清楚，或者說很費解。最后不得不拿出C語言的源程序來調(diào)試，這對于理解算法是很不利的。于是就總結(jié)了一下我摸索到的一些要點。
1.來歷
MD5的全稱是message-digest algorithm 5(信息-摘要算法，在90年代初由mit laboratory for computer science和rsa data ecurity inc的ronald l. rivest開發(fā)出來，經(jīng)md2、md3和md4發(fā)展而來。http://www.ietf.org/rfc/rfc1321.txt，是一份最權(quán)威的文檔，
由ronald l. rivest在1992年8月向ieft提交。
2.用途
MD5的作用是對一段信息(message)生成信息摘要(message-digest)，該摘要對該信息具有唯一性,可以作為數(shù)字簽名。用于驗證文件的有效性(是否有丟失或損壞的數(shù)據(jù)),對用戶
密碼的加密，在哈希函數(shù)中計算散列值。
3.特點
輸入一個任意長度的字節(jié)串，生成一個128位的整數(shù)。由于算法的某些不可逆特征，在加密應(yīng)用
上有較好的安全性。并且，MD5算法的使用不需要支付任何版權(quán)費用。
4.說明
唯一性和不可逆性都不是絕對的，從理論上分析是一種多對一的關(guān)系，但兩個不同的信息產(chǎn)生
相同摘要的概率很小。不可逆是指從輸出反推輸入所需的運算量和計算時間太大，使用窮搜字
典的方法又需要太多的存儲空間。
5.算法描述
算法輸入是一個字節(jié)串，每個字節(jié)是8個bit.
算法的執(zhí)行分為以下幾個步驟：
第一步，補(bǔ)位：
MD5算法先對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)位，使得數(shù)據(jù)的長度(以byte為單位)對64求余的結(jié)果是56。
即數(shù)據(jù)擴(kuò)展至LEN=K*64+56個字節(jié)，K為整數(shù)。
補(bǔ)位方法：補(bǔ)一個1，然后補(bǔ)0至滿足上述要求。相當(dāng)于補(bǔ)一個0x80的字節(jié)，再補(bǔ)值
為0的字節(jié)。這一步里總共補(bǔ)充的字節(jié)數(shù)為0～63個。
第二步，附加數(shù)據(jù)長度：
用一個64位的整數(shù)表示數(shù)據(jù)的原始長度(以bit為單位)，將這個數(shù)字的8個字節(jié)按低位的在前，
高位在后的順序附加在補(bǔ)位后的數(shù)據(jù)后面。這時，數(shù)據(jù)被填補(bǔ)后的總長度為：
LEN = K*64+56+8=(K+1)*64 Bytes。
※注意那個64位整數(shù)是輸入數(shù)據(jù)的原始長度而不是填充字節(jié)后的長度,我就在這里栽了跟頭.
第三步，初始化MD5參數(shù)：
有四個32位整數(shù)變量 (A,B,C,D) 用來計算信息摘要，每一個變量被初始化成以下
以十六進(jìn)制數(shù)表示的數(shù)值，低位的字節(jié)在前面。
word A: 01 23 45 67
word B: 89 ab cd ef
word C: fe dc ba 98
word D: 76 54 32 10
※注意低位的字節(jié)在前面指的是Little Endian平臺上內(nèi)存中字節(jié)的排列方式，
而在程序中書寫時，要寫成：
A=0x67452301
B=0xefcdab89
C=0x98badcfe
D=0x10325476
第四步，定義四個MD5基本的按位操作函數(shù)：
X，Y，Z為32位整數(shù)。
F(X,Y,Z) = (X and Y) or (not(X) and Z)
G(X,Y,Z) = (X and Z) or (Y and not(Z))
H(X,Y,Z) = X xor Y xor Z
I(X,Y,Z) = Y xor (X or not(Z))
再定義四個分別用于四輪變換的函數(shù)。
設(shè)Mj表示消息的第j個子分組(從0到15)，〈〈〈s表示循環(huán)左移s位，則四種操作為：
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)
第五步，對輸入數(shù)據(jù)作變換。
處理數(shù)據(jù)，N是總的字節(jié)數(shù)，以64個字節(jié)為一組，每組作一次循環(huán)，每次循環(huán)進(jìn)行四輪操作。
要變換的64個字節(jié)用16個32位的整數(shù)數(shù)組M[0 ...15]表示。而數(shù)組T[1 ... 64]表示一組常數(shù)，
T[i]為4294967296*abs(sin(i))的32位整數(shù)部分，i的單位是弧度,i的取值從1到64。
具體過程如下：
/* 設(shè)置主循環(huán)變量 */
For i = 0 to N/16-1 do
/*每循環(huán)一次，把數(shù)據(jù)原文存放在16個元素的數(shù)組X中. */
For j = 0 to 15 do
Set X[j] to M[i*16+j].
end /結(jié)束對J的循環(huán)
/* Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD.
*/
AA = A
BB = B
CC = C
DD = D
/* 第1輪*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T[i]) 〈〈〈 s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 0 7 1] [DABC 1 12 2] [CDAB 2 17 3] [BCDA 3 22 4]
[ABCD 4 7 5] [DABC 5 12 6] [CDAB 6 17 7] [BCDA 7 22 8]
[ABCD 8 7 9] [DABC 9 12 10] [CDAB 10 17 11] [BCDA 11 22 12]
[ABCD 12 7 13] [DABC 13 12 14] [CDAB 14 17 15] [BCDA 15 22 16]
/* 第2輪* */
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T[i]) 〈〈〈 s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 1 5 17] [DABC 6 9 18] [CDAB 11 14 19] [BCDA 0 20 20]
[ABCD 5 5 21] [DABC 10 9 22] [CDAB 15 14 23] [BCDA 4 20 24]
[ABCD 9 5 25] [DABC 14 9 26] [CDAB 3 14 27] [BCDA 8 20 28]
[ABCD 13 5 29] [DABC 2 9 30] [CDAB 7 14 31] [BCDA 12 20 32]
/* 第3輪*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T[i]) 〈〈〈 s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 5 4 33] [DABC 8 11 34] [CDAB 11 16 35] [BCDA 14 23 36]
[ABCD 1 4 37] [DABC 4 11 38] [CDAB 7 16 39] [BCDA 10 23 40]
[ABCD 13 4 41] [DABC 0 11 42] [CDAB 3 16 43] [BCDA 6 23 44]
[ABCD 9 4 45] [DABC 12 11 46] [CDAB 15 16 47] [BCDA 2 23 48]
/* 第4輪*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T[i]) 〈〈〈 s). */
/* Do the following 16 operations. */
[ABCD 0 6 49] [DABC 7 10 50] [CDAB 14 15 51] [BCDA 5 21 52]
[ABCD 12 6 53] [DABC 3 10 54] [CDAB 10 15 55] [BCDA 1 21 56]
[ABCD 8 6 57] [DABC 15 10 58] [CDAB 6 15 59] [BCDA 13 21 60]
[ABCD 4 6 61] [DABC 11 10 62] [CDAB 2 15 63] [BCDA 9 21 64]
/* 然后進(jìn)行如下操作 */
A = A + AA
B = B + BB
C = C + CC
D = D + DD
Next i /* 結(jié)束對I的循環(huán)*/
第六步，輸出結(jié)果。
A，B，C，D連續(xù)存放，共16個字節(jié)，128位。按十六進(jìn)制依次輸出這個16個字節(jié)。
最后，用程序語言實現(xiàn)算法后，可以輸入以下幾個信息對程序作一個簡單的測試，
看看程序有沒有錯誤。
MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789") =
d174ab98d277d9f5a5611c2c9f419d9f
MD5 ("123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890") = 57edf4a22be3c955ac49da2e2107b67a
MD5算法之C#程序
MD5算法比較特別，最適合用匯編語言來寫，好多高級語言對之無能無力或效率極低。
比如我最開始嘗試用Python和Euphoria編寫，發(fā)現(xiàn)不太容易。相比而言，C#作為C家簇
中新興的一門.net語言，功能比較全面?；艘煌砩系墓し蚪K于用C#最先實現(xiàn)了MD5。
主要是由于對算法的一些細(xì)節(jié)不太注意，結(jié)果輸出總是不對，調(diào)試了好長時間。
[code]
//源文件：md5.cs
// MD5 Alogrithm
// by rufi 2004.6.20 http://rufi.yculblog.com/
using
System;；
using
System.Collections;；
using
System.IO;；
public class MD5 {
//static state variables
private static UInt32 A;；
private static UInt32 B;；
private static UInt32 C;；
private static UInt32 D;；
//number of bits to rotate in tranforming
private const int S11 = 7;；
private const int S12 = 12;；
private const int S13 = 17;；
private const int S14 = 22;；
private const int S21 = 5;；
private const int S22 = 9;；
private const int S23 = 14;；
private const int S24 = 20;；
private const int S31 = 4;；
private const int S32 = 11;；
private const int S33 = 16;；
private const int S34 = 23;；
private const int S41 = 6;；
private const int S42 = 10;；
private const int S43 = 15;；
private const int S44 = 21;；
/* F, G, H and I are basic MD5 functions.
* 四個非線性函數(shù):
*
* 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))
*
* (&與，|或，~非，^異或)
*/
private static UInt32 F(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
return (x&y)|((~x)&z);；
}
private static UInt32 G(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
return (x&z)|(y&(~z));；
}
private static UInt32 H(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
return x^y^z;；
}
private static UInt32 I(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
return y^(x|(~z));；
}
/* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4.
* Rotation is separate from addition to prevent recomputation.
*/
private static void FF(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
a = a + F(b,c,d) + mj + ti;；
a = a 〈〈 s | a 〉〉 (32-s);；
a += b;；
}
private static void GG(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
a = a + G(b,c,d) + mj + ti;；
a = a 〈〈 s | a 〉〉 (32-s);；
a += b;；
}
private static void HH(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
a = a + H(b,c,d) + mj + ti;；
a = a 〈〈 s | a 〉〉 (32-s);；
a += b;；
}
private static void II(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
a = a + I(b,c,d) + mj + ti;；
a = a 〈〈 s | a 〉〉 (32-s);；
a += b;；
}
private static void MD5_Init(){
A=0x67452301;； //in memory, this is 0x01234567
B=0xefcdab89;； //in memory, this is 0x89abcdef
C=0x98badcfe;； //in memory, this is 0xfedcba98
D=0x10325476;； //in memory, this is 0x76543210
}
private static UInt32[] MD5_Append(byte[] input){
int zeros=0;；
int ones =1;；
int size=0;；
int n = input.Length;；
int m = n%64;；
if( m 〈 56 ){
zeros = 55-m;；
size=n-m+64;；
}
else if (m==56){
zeros = 0;；
ones = 0;；
size=n+8;；
}
else{
zeros = 63-m+56;；
size=n+64-m+64;；
}
ArrayList bs = new ArrayList(input);；
if(ones==1){
bs.Add( (byte)0x80 );； // 0x80 = $10000000
}
for(int i=0;；i〈zeros;；i++){
bs.Add( (byte)0 );；
}
UInt64 N = (UInt64) n * 8;；
byte h1=(byte)(N&0xFF);；
byte h2=(byte)((N〉〉8)&0xFF);；
byte h3=(byte)((N〉〉16)&0xFF);；
byte h4=(byte)((N〉〉24)&0xFF);；
byte h5=(byte)((N〉〉32)&0xFF);；
byte h6=(byte)((N〉〉40)&0xFF);；
byte h7=(byte)((N〉〉48)&0xFF);；
byte h8=(byte)(N〉〉56);；
bs.Add(h1);；
bs.Add(h2);；
bs.Add(h3);；
bs.Add(h4);；
bs.Add(h5);；
bs.Add(h6);；
bs.Add(h7);；
bs.Add(h8);；
byte[] ts=(byte[])bs.ToArray(typeof(byte));；
/* Decodes input (byte[]) into output (UInt32[]). Assumes len is
* a multiple of 4.
*/
UInt32[] output = new UInt32[size/4];；
for(Int64 i=0,j=0;；i〈size;；j++,i+=4){
output[j]=(UInt32)(ts[i] | ts[i+1]〈〈8 | ts[i+2]〈〈16 | ts[i+3]〈〈24);；
}
return output;；
}
private static UInt32[] MD5_Trasform(UInt32[] x){
UInt32 a,b,c,d;；
for(int k=0;；k〈x.Length;；k+=16){
a=A;；
b=B;；
c=C;；
d=D;；
/* Round 1 */
FF (ref a, b, c, d, x[k+ 0], S11, 0xd76aa478);； /* 1 */
FF (ref d, a, b, c, x[k+ 1], S12, 0xe8c7b756);； /* 2 */
FF (ref c, d, a, b, x[k+ 2], S13, 0x242070db);； /* 3 */
FF (ref b, c, d, a, x[k+ 3], S14, 0xc1bdceee);； /* 4 */
FF (ref a, b, c, d, x[k+ 4], S11, 0xf57c0faf);； /* 5 */
FF (ref d, a, b, c, x[k+ 5], S12, 0x4787c62a);； /* 6 */
FF (ref c, d, a, b, x[k+ 6], S13, 0xa8304613);； /* 7 */
FF (ref b, c, d, a, x[k+ 7], S14, 0xfd469501);； /* 8 */
FF (ref a, b, c, d, x[k+ 8], S11, 0x698098d8);； /* 9 */
FF (ref d, a, b, c, x[k+ 9], S12, 0x8b44f7af);； /* 10 */
FF (ref c, d, a, b, x[k+10], S13, 0xffff5bb1);； /* 11 */
FF (ref b, c, d, a, x[k+11], S14, 0x895cd7be);； /* 12 */
FF (ref a, b, c, d, x[k+12], S11, 0x6b901122);； /* 13 */
FF (ref d, a, b, c, x[k+13], S12, 0xfd987193);； /* 14 */
FF (ref c, d, a, b, x[k+14], S13, 0xa679438e);； /* 15 */
FF (ref b, c, d, a, x[k+15], S14, 0x49b40821);； /* 16 */
/* Round 2 */
GG (ref a, b, c, d, x[k+ 1], S21, 0xf61e2562);； /* 17 */
GG (ref d, a, b, c, x[k+ 6], S22, 0xc040b340);； /* 18 */
GG (ref c, d, a, b, x[k+11], S23, 0x265e5a51);； /* 19 */
GG (ref b, c, d, a, x[k+ 0], S24, 0xe9b6c7aa);； /* 20 */
GG (ref a, b, c, d, x[k+ 5], S21, 0xd62f105d);； /* 21 */
GG (ref d, a, b, c, x[k+10], S22, 0x2441453);； /* 22 */
GG (ref c, d, a, b, x[k+15], S23, 0xd8a1e681);； /* 23 */
GG (ref b, c, d, a, x[k+ 4], S24, 0xe7d3fbc8);； /* 24 */
GG (ref a, b, c, d, x[k+ 9], S21, 0x21e1cde6);； /* 25 */
GG (ref d, a, b, c, x[k+14], S22, 0xc33707d6);； /* 26 */
GG (ref c, d, a, b, x[k+ 3], S23, 0xf4d50d87);； /* 27 */
GG (ref b, c, d, a, x[k+ 8], S24, 0x455a14ed);； /* 28 */
GG (ref a, b, c, d, x[k+13], S21, 0xa9e3e905);； /* 29 */
GG (ref d, a, b, c, x[k+ 2], S22, 0xfcefa3f8);； /* 30 */
GG (ref c, d, a, b, x[k+ 7], S23, 0x676f02d9);； /* 31 */
GG (ref b, c, d, a, x[k+12], S24, 0x8d2a4c8a);； /* 32 */
/* Round 3 */
HH (ref a, b, c, d, x[k+ 5], S31, 0xfffa3942);； /* 33 */
HH (ref d, a, b, c, x[k+ 8], S32, 0x8771f681);； /* 34 */
HH (ref c, d, a, b, x[k+11], S33, 0x6d9d6122);； /* 35 */
HH (ref b, c, d, a, x[k+14], S34, 0xfde5380c);； /* 36 */
HH (ref a, b, c, d, x[k+ 1], S31, 0xa4beea44);； /* 37 */
HH (ref d, a, b, c, x[k+ 4], S32, 0x4bdecfa9);； /* 38 */
HH (ref c, d, a, b, x[k+ 7], S33, 0xf6bb4b60);； /* 39 */
HH (ref b, c, d, a, x[k+10], S34, 0xbebfbc70);； /* 40 */
HH (ref a, b, c, d, x[k+13], S31, 0x289b7ec6);； /* 41 */
HH (ref d, a, b, c, x[k+ 0], S32, 0xeaa127fa);； /* 42 */
HH (ref c, d, a, b, x[k+ 3], S33, 0xd4ef3085);； /* 43 */
HH (ref b, c, d, a, x[k+ 6], S34, 0x4881d05);； /* 44 */
HH (ref a, b, c, d, x[k+ 9], S31, 0xd9d4d039);； /* 45 */
HH (ref d, a, b, c, x[k+12], S32, 0xe6db99e5);； /* 46 */
HH (ref c, d, a, b, x[k+15], S33, 0x1fa27cf8);； /* 47 */
HH (ref b, c, d, a, x[k+ 2], S34, 0xc4ac5665);； /* 48 */
/* Round 4 */
II (ref a, b, c, d, x[k+ 0], S41, 0xf4292244);； /* 49 */
II (ref d, a, b, c, x[k+ 7], S42, 0x432aff97);； /* 50 */
II (ref c, d, a, b, x[k+14], S43, 0xab9423a7);； /* 51 */
II (ref b, c, d, a, x[k+ 5], S44, 0xfc93a039);； /* 52 */
II (ref a, b, c, d, x[k+12], S41, 0x655b59c3);； /* 53 */
II (ref d, a, b, c, x[k+ 3], S42, 0x8f0ccc92);； /* 54 */
II (ref c, d, a, b, x[k+10], S43, 0xffeff47d);； /* 55 */
II (ref b, c, d, a, x[k+ 1], S44, 0x85845dd1);； /* 56 */
II (ref a, b, c, d, x[k+ 8], S41, 0x6fa87e4f);； /* 57 */
II (ref d, a, b, c, x[k+15], S42, 0xfe2ce6e0);； /* 58 */
II (ref c, d, a, b, x[k+ 6], S43, 0xa3014314);； /* 59 */
II (ref b, c, d, a, x[k+13], S44, 0x4e0811a1);； /* 60 */
II (ref a, b, c, d, x[k+ 4], S41, 0xf7537e82);； /* 61 */
II (ref d, a, b, c, x[k+11], S42, 0xbd3af235);； /* 62 */
II (ref c, d, a, b, x[k+ 2], S43, 0x2ad7d2bb);； /* 63 */
II (ref b, c, d, a, x[k+ 9], S44, 0xeb86d391);； /* 64 */
A+=a;；
B+=b;；
C+=c;；
D+=d;；
}
return new UInt32[]{A,B,C,D};；
}
public static byte[] MD5Array(byte[] input){
MD5_Init();；
UInt32[] block = MD5_Append(input);；
UInt32[] bits = MD5_Trasform(block);；
/* Encodes bits (UInt32[]) into output (byte[]). Assumes len is
* a multiple of 4.
*/
byte[] output=new byte[bits.Length*4];；
for(int i=0,j=0;；i〈bits.Length;；i++,j+=4){
output[j] = (byte)(bits[i] & 0xff);；
output[j+1] = (byte)((bits[i] 〉〉 8) & 0xff);；
output[j+2] = (byte)((bits[i] 〉〉 16) & 0xff);；
output[j+3] = (byte)((bits[i] 〉〉 24) & 0xff);；
}
return output;；
}
public static string ArrayToHexString(byte[] array,bool uppercase){
string hexString="";；
string format="x2";；
if(uppercase){
format="X2";；
}
foreach(byte b in array){
hexString += b.ToString(format);；
}
return hexString;；
}
public static string MDString(string message){
char[] c = message.ToCharArray();；
byte[] b = new byte[c.Length];；
for(int i=0;；i〈c.Length;；i++){
b[i]=(byte)c[i];；
}
byte[] digest = MD5Array(b);；
return ArrayToHexString(digest,false);；
}
public static string MDFile(string fileName){
FileStream fs=File.Open(fileName,FileMode.Open,FileAccess.Read);；
byte[] array=new byte[fs.Length];；
fs.Read(array,0,(int)fs.Length);；
byte[] digest = MD5Array(array);；
fs.Close();；
return ArrayToHexString(digest,false);；
}
public static string Test(string message){
return "rnMD5 (""+message+"") = " + MD5.MDString(message);；
}
public static string TestSuite(){
string s = "";；
s+=Test("");；
s+=Test("a");；
s+=Test("abc");；
s+=Test("message digest");；
s+=Test("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");；
s+=Test("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789");；
s+=Test("12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890");；
return s;；
}
}
