详解 MD5 信息摘要算法

对于软件研发人员来说 MD5 不是一个陌生的词汇,平时的软件研发中,经常使用 MD5 校验消息是否被篡改、验证文件完整性,甚至将MD5当作加密算法使用。
MD5虽不陌生,但不是所有研发人员都了解其算法原理,通过这篇文章详细学习MD5 摘要算法。

  • 认识 MD5
  • 掌握 MD5 算法原理
  • 编码实现 MD5 摘要算法
    使用Java开发语言 编码实现MD5摘要算法。

一、认识MD5

MD5(Message Digest Algorithm 5)中文名为消息摘要算法第五版,是计算机安全领域广泛使用的一种散列函数,用以提供消息完整性保护

MD5作为一种常用的摘要算法(或指纹算法),其具有以下几个重要的特点(个人观点):

  • 输入任意长度信息,输出长度固定:
    MD5 可输入任意长度的信息,其输出均为128位(bit)固定长度的二进制数据
  • 运算速度快:
    MD5的运算均为32位 与、或、非、位移等位运算,因此其运算速率快,几乎不消耗CPU时间。
  • 不可逆:
    根据MD5的的散列结果无法计算原始数据(查字典除外)。
  • 碰撞性:
    原始数据与其MD5散列结果非一一对应,存在多个原始数据MD5结果相同的可能性
  • 不安全:
    2011年,RFC 6151 禁止MD5用作密钥散列消息认证码。

1.1 长度

日常软件研发中 MD5计算结果一般为长度为32的字符串,偶尔也会遇到长度为16的字符串。那么,MD5到底是多长的字符串?

MD5散列结果是128位(bit)固定长度的二进制数据,也就是128个0/1的二进数据。
128位二进制数据呈现MD5的散列结果,对于软件开发者很不友好
一般将二进制转成16进制,每4个二进制数据转化为一个16进制数据128位二进制数据转化为32个十六进制数据128/4 = 32),最终以字符串形式呈现十六进制数据后则为长度为32的字符串

8位二进制数据,转化为2个十六进制数据举例如下:

// 8位二进制 ——> 2个十六进制数据
// 二进制数据
0100 0101
// 对应的 十六制数据
4 5

为什么网上还有16位MD5散列结果呢?

这里以 Message Digest Algorithm 作为原始数据,分别计算其32位16位的散列结果:

// 32位散列结果
MD5(Message Digest Algorithm,32) = e4b0190b2fadc0adbe54471ffd79a729
// 16位散列结果
MD5(Message Digest Algorithm,16) = 2fadc0adbe54471f

仔细观察以上两个散列结果,发现其中间部分完全相同均为2fadc0adbe54471f
因此猜测16位长度的散列结果为:32位散列结果去掉前八位、后八位得到的。

1.2 用途

平时的软件研发中经常使用MD5校验消息是否被篡改、验证文件完整性。

  • 验证是否被篡改:
    比如,上传下载文件。
    数据的 发送方 将原始数据生成MD5摘要,然后把 原始数据 与其 MD5摘要一起发送给 接收方;
    接收方收到数据后,先将原始数据用MD5算法生成摘要信息,然后再将此摘要信息与发送方发过来的摘要信息进行比较,如果一致就认为原始数据没有被修改、或者损坏。
  • 防止抵赖:
    例如A写了一个文件,某认证机构对此文件用MD5算法产生摘要信息并做好记录。
    若以后A说这文件不是他写的,权威机构只需对此文件重新产生摘要信息,然后跟记录在册的摘要信息进行比对,若摘要信息相同,则证明为A写的文件。

1.3 不安全

2011年,RFC 6151 禁止MD5用作密钥散列消息认证码。

  • MD5不安全主要指的是,不可用MD5对原始秘钥进行加密
    比如:将用户的登录秘钥进行MD5加密后,存储于数据库中。
    MD5虽然理论上不可逆,但有些黑客网站通过查字典方式获取MD5原文信息。
    提前将一些比较常见的密文做MD5运算,将结果保存下来,破译密文时,通过MD5摘要信息直接查询原文。
    比如:字符串 123 的MD5值是 202cb962ac59075b964b07152d234b70 ,黑客在破解后的数据库中看到某位用户的密码是 202cb962ac59075b964b07152d234b70 ,通过字典一查就知道密码明文是 123 了。
  • MD5的碰撞性,决定了存在两个不用的输入信息,其MD5相同的可能。
    2009年,中国科学院的谢涛和冯登国仅用了 2的20.96次幂 的碰撞算法复杂度,破解了MD5的碰撞抵抗,该攻击在普通计算机上运行只需要数秒钟。

二、算法原理

MD5 摘要算法大概计算过程可以描述如下:
MD5 将 “输入信息” 分为N*512bit的数据分组;
每一512bit分组又分为16个子分组,每个子分组为32bit的原始数据;
16个子分组分别命名为 M0~M15
每个子分组都要进行4次运算,运算公式分别为FF、GG、HH、II;
总的运算次数为N*16*4(运算均为位运算)。

“输入信息” 分组计算情况如下图所示:

MD5分组计算

以上为MD5 摘要算法的大概原理总结,下边按照 rfc1321 中算法的介绍顺序,梳理MD5 摘要算法:

  • 填充数据
    填充数据,使 输入数据 % 512 = 448
  • 填充长度信息
    补充 “输入信息” 位长 (Bits Length)信息,占用空间64位
  • 初始化A、B、C、D 四个数据
    初始化 A、B、C、D 四个数据,用于后续的分组计算
  • 分组数据运算
    512bit分组数据,需进行16 * 4 = 64次运算
  • 结果累加

2.1 填充数据

首先需要对 “输入信息” 进行填充,使其位长对512求余结果448(填充必须进行,即使其位长对512求余的结果等于448)。

填充数据的方式:
在 “输入信息” 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信息填充

填充后的 “输入信息” 其位长 (Bits Length) 将扩展到:
N*512+448 ( N>=0 )

2.2 补充长度信息

64bit记录 “输入信息” 的位长 (Bits Length),把64位长度二进制数据补在最后。

经过此步骤后,其位长 (Bits Length) 将扩展到:
N*512+448+64 = (N+1)*512 ( N>=0 )

2.3 初始化A、B、C、D

这里需要初始化四个数据 A、B、C、D,这四个变量将用于后续的公式计算。
四个数据均为8个16进制数据组合,每个16进制数据为4bit,每个数据占32bit

// 每个数据占空间 32bit 
// 四个数据分别为 8个 16进制数据的组合构成
// 单个16进制数据占空间 4bit
A: 01 23 45 67 (16进制)
B: 89 ab cd ef (16进制)
C: fe dc ba 98 (16进制)
D: 76 54 32 10 (16进制)

将A、B、C、D输入计算机进行计算时,A、B、C、D将变化为:

A: 0x67452301
B: 0xefcdab89
C: 0x98badcfe
D: 0x10325476

为什么会变化为 0x67452301、0xefcdab89、0x98badcfe、0x10325476 ?

// A的16进制表示
A: 01 23 45 67 (16进制)
// A的二进制表示
A: 00000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 (二进制)
// 计算机中首先编写的为低字节位,当从右向左获取字节数据(8位一个字节)时,最终A将变化为0x67452301
A: 67 45 23 01 (16进制)

2.4 分组数据运算

上文层提到子分组的运算公式:FF、GG、HH、II ,32bit子分组运算公式如下:

// FF、GG、HH、II
// <<< 为循环左移
FF(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + F(b,c,d) + Mj + ti) <<< s)
GG(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + G(b,c,d) + Mj + ti) <<< s)
HH(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + H(b,c,d) + Mj + ti) <<< s)
II(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + I(b,c,d) + Mj + ti) <<< s)

// F、G、H、I
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) )
  • 公式中初始输入数据a、b、c、d 为A、B、C、D
  • Mj 代表32bit子分组数据,每个子分组数据均需要经过 FF、GG、HH、II 四次运算:
    512bit原始输入数据,有16个子分组,每个分组进行4次运算,总共16 * 4 = 64次运算。
  • s 常量数据,代表循环左移的位数。
  • ti 常量;

512bit分组数据,64 次位运算如下(输入数据为32bit原始数据,输出为32bit数据):

// 512bit分组数据,16 * 4 次运算
// 输入数据为32bit原始数据,输出为32bit数据
// 第一次运算FF
a = FF(a, b, c, d, M0, 7, 0xd76aa478L);
d = FF(d, a, b, c, M1, 12, 0xe8c7b756L);
c = FF(c, d, a, b, M2, 17, 0x242070dbL);
b = FF(b, c, d, a, M3, 22, 0xc1bdceeeL);
a = FF(a, b, c, d, M4, 7, 0xf57c0fafL);
d = FF(d, a, b, c, M5, 12, 0x4787c62aL);
c = FF(c, d, a, b, M6, 17, 0xa8304613L);
b = FF(b, c, d, a, M7, 22, 0xfd469501L);
a = FF(a, b, c, d, M8, 7, 0x698098d8L); 
d = FF(d, a, b, c, M9, 12, 0x8b44f7afL);
c = FF(c, d, a, b, M10, 17, 0xffff5bb1L);
b = FF(b, c, d, a, M11, 22, 0x895cd7beL);
a = FF(a, b, c, d, M12, 7, 0x6b901122L);
d = FF(d, a, b, c, M13, 12, 0xfd987193L);
c = FF(c, d, a, b, M14, 17, 0xa679438eL);
b = FF(b, c, d, a, M15, 22, 0x49b40821L);

// 第二轮运算GG
a = GG(a, b, c, d, M1, 5, 0xf61e2562L);
d = GG(d, a, b, c, M6, 9, 0xc040b340L);
c = GG(c, d, a, b, M11, 14, 0x265e5a51L);
b = GG(b, c, d, a, M0, 20, 0xe9b6c7aaL);
a = GG(a, b, c, d, M5, 5, 0xd62f105dL);
d = GG(d, a, b, c, M10, 9, 0x2441453L);
c = GG(c, d, a, b, M15, 14, 0xd8a1e681L);
b = GG(b, c, d, a, M4, 20, 0xe7d3fbc8L);
a = GG(a, b, c, d, M9, 5, 0x21e1cde6L);
d = GG(d, a, b, c, M14, 9, 0xc33707d6L);
c = GG(c, d, a, b, M3, 14, 0xf4d50d87L);
b = GG(b, c, d, a, M8, 20, 0x455a14edL);
a = GG(a, b, c, d, M13, 5, 0xa9e3e905L);
d = GG(d, a, b, c, M2, 9, 0xfcefa3f8L);
c = GG(c, d, a, b, M7, 14, 0x676f02d9L);
b = GG(b, c, d, a, M12, 20, 0x8d2a4c8aL);

// 第三轮运算HH
a = HH(a, b, c, d, M5, 4, 0xfffa3942L);
d = HH(d, a, b, c, M8, 11, 0x8771f681L);
c = HH(c, d, a, b, M11, 16, 0x6d9d6122L);
b = HH(b, c, d, a, M14, 23, 0xfde5380cL);
a = HH(a, b, c, d, M1, 4, 0xa4beea44L);
d = HH(d, a, b, c, M4, 11, 0x4bdecfa9L);
c = HH(c, d, a, b, M7, 16, 0xf6bb4b60L);
b = HH(b, c, d, a, M10, 23, 0xbebfbc70L);
a = HH(a, b, c, d, M13, 4, 0x289b7ec6L);
d = HH(d, a, b, c, M0, 11, 0xeaa127faL);
c = HH(c, d, a, b, M3, 16, 0xd4ef3085L);
b = HH(b, c, d, a, M6, 23, 0x4881d05L);
a = HH(a, b, c, d, M9, 4, 0xd9d4d039L);
d = HH(d, a, b, c, M12, 11, 0xe6db99e5L);
c = HH(c, d, a, b, M15, 16, 0x1fa27cf8L);
b = HH(b, c, d, a, M2, 23, 0xc4ac5665L);

// 第四轮运算II
a = II(a, b, c, d, M0, 6, 0xf4292244L);
d = II(d, a, b, c, M7, 10, 0x432aff97L);
c = II(c, d, a, b, M14, 15, 0xab9423a7L);
b = II(b, c, d, a, M5, 21, 0xfc93a039L);
a = II(a, b, c, d, M12, 6, 0x655b59c3L);
d = II(d, a, b, c, M3, 10, 0x8f0ccc92L);
c = II(c, d, a, b, M10, 15, 0xffeff47dL);
b = II(b, c, d, a, M1, 21, 0x85845dd1L);
a = II(a, b, c, d, M8, 6, 0x6fa87e4fL);
d = II(d, a, b, c, M15, 10, 0xfe2ce6e0L);
c = II(c, d, a, b, M6, 15, 0xa3014314L);
b = II(b, c, d, a, M13, 21, 0x4e0811a1L);
a = II(a, b, c, d, M4, 6, 0xf7537e82L);
d = II(d, a, b, c, M11, 10, 0xbd3af235L);
c = II(c, d, a, b, M2, 15, 0x2ad7d2bbL);
b = II(b, c, d, a, M9, 21, 0xeb86d391L);

2.5 结果累加

若A、B、C、D为变量,并且A、B、C、D的初始化信息为 A: 0x67452301;B: 0xefcdab89;C: 0x98badcfe;D: 0x10325476 ,每一512bit分组的运算结果为a、b、c、d。则第N个512bit组的计算结果为:

// a、b、c、d 为每一512bit分组的运算结果; 
// A、B、C、D 是下一组计算的输入参数;
// 若无下一个512bit分组 A、B、C、D 则为最终计算结果;
A = a + A;  
B = b + B; 
C = c + C; 
D = d + D;

三、编码实现 MD5 摘要算法

网上找到一个用Java编码实现MD5摘要算法的案例,我从头到尾加了详细的注释。因此对于代码实现,朋友们可以结合注释读代码,打日志进行MD5摘要算法分析、学习。


/**
 * Java 实现MD5摘要算法:
 * 基本每一行我都加了注释,因此不再对代码进行详细介绍,
 * 如有疑问,可联系:xiaxveliang@163.com
 */
public class MD5Hash {

    /**
     * RFC1321中定义的标准4*4矩阵的常量:循环位移常量数据 s
     */
    static final int S11 = 7, S12 = 12, S13 = 17, S14 = 22;
    static final int S21 = 5, S22 = 9, S23 = 14, S24 = 20;
    static final int S31 = 4, S32 = 11, S33 = 16, S34 = 23;
    static final int S41 = 6, S42 = 10, S43 = 15, S44 = 21;

    /**
     * 填充数据 1000 0000 0000 ...
     * 长度:64*8 = 512bit
     * 注:-128为1000 0000
     */
    static final byte[] PADDING =
            {
                    -128, 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
            };
    /**
     * a、b、c、d 四个变量
     */
    private long[] abcd = new long[4];

    /**
     * 512字节分组数据缓冲 64*8=512bit
     */
    private byte[] buffer512Bit = new byte[64];
    // 输入数据的位长信息(64bit)
    private long[] inputBitCount = new long[2];


    /**
     * MD5计算结果
     */
    // MD5计算结果:16 * 8bit = 128bit
    public byte[] md5ByteArray = new byte[16];
    // MD5计算结果:字符串表示的MD5计算结果
    public String md5ResultStr;


    /**
     * 调用其可对任意字符串进行加密运算,并以字符串形式返回加密结果。
     *
     * @param inputStr 输入字符串
     * @return 输入md5计算结果
     */
    public String getMD5(String inputStr) {
        // 数据初始化A、B、C、D
        md5Init();
        // 调用MD5的主计算过程
        md5Update(inputStr.getBytes(), inputStr.length());
        // 输出结果到digest数组中
        md5Final();
        // 转化为16进制字符串
        for (int i = 0; i < 16; i++) {
            md5ResultStr += byte2HEX(md5ByteArray[i]);
        }
        return md5ResultStr;
    }

    // #######################################################

    /**
     * 构造方法:初始化MD5核心变量
     */
    public MD5Hash() {
        md5Init();
    }

    /**
     * 初始化MD5核心变量
     */
    private void md5Init() {
        // 定义state为RFC1321中定义的标准幻数
        abcd[0] = 0x67452301L;
        abcd[1] = 0xefcdab89L;
        abcd[2] = 0x98badcfeL;
        abcd[3] = 0x10325476L;
        // 初始化 输入数据的位长信息
        inputBitCount[0] = inputBitCount[1] = 0L;

        // MD5计算结果:初始化digest数组元素为0
        for (int i = 0; i < 16; i++) {
            md5ByteArray[i] = 0;
        }
        // MD5计算结果:初始化resultStr
        md5ResultStr = "";
    }


    /**
     * MD5的主计算过程:
     *
     * @param inputByte    输入数据字节流
     * @param inputByteLen 输入数据字节长度
     */
    private void md5Update(byte[] inputByte, int inputByteLen) {
        int i, index, partLen;

        // 分配64个字节分组缓冲区:64*8bit = 512bit
        byte[] blockByteArray = new byte[64];

        // 添加inputByte信息前输入信息 字节长度(取低6位)
        index = (int) (inputBitCount[0] >>> 3) & 0x3F;
        System.out.println("index: " + index);
        // 添加inputByteLen信息后,最新的输入信息 位长
        // (inputByteLen << 3) = (inputByteLen * 8) 为输入数据位长(bit length)
        if ((inputBitCount[0] += (inputByteLen << 3)) < (inputByteLen << 3)) {
            inputBitCount[1]++;
        }
        // 0
        inputBitCount[1] += (inputByteLen >>> 29);

        // 差多少满512bit(64字节)
        partLen = 64 - index;

        if (inputByteLen >= partLen) {
            // 拷贝 partLen 字节数据
            // 数据运算
            md5Memcpy(buffer512Bit, inputByte, index, 0, partLen);
            md5Transform(buffer512Bit);
            //
            for (i = partLen; i + 63 < inputByteLen; i += 64) {
                // 拷贝64字节数据
                // 数据运算
                md5Memcpy(blockByteArray, inputByte, 0, i, 64);
                md5Transform(blockByteArray);
            }
            index = 0;
        } else {
            i = 0;
        }
        // 拷贝64字节数据
        md5Memcpy(buffer512Bit, inputByte, index, i, inputByteLen - i);
    }

    /**
     * 整理和填写输出结果,结果放到数组digest中。
     */
    private void md5Final() {
        /**
         * 64位输入数据的位长信息(bit length)
         * 数组中:低位在前,高位在后
         */
        // 8个字节 缓存空间 8 * 8bit = 64bit
        byte[] bits = new byte[8];
        longArray2ByteArray(bits, inputBitCount, 8);

        // 输入信息的字节数byte length
        int index = (int) (inputBitCount[0] >>> 3) & 0x3f;
        // 输入信息的位长<448,补充到448;输入信息的位长>=448,补充到(512+448)= 960,960/8=120字节
        // (56 * 8bit = 448bit)
        int padLen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index);

        /**
         * 数据填充: N * 512 + 448
         */
        md5Update(PADDING, padLen);
        /**
         * 1、数据填充: N * 512 + 448 + 64
         * 2、计算最后一个分组数据
         */
        md5Update(bits, 8);

        /**
         * 根据a、b、c、d 得到最终的 md5ByteArray 数据结果
         * 数组结果中(低位在前,高位在后)
         */
        longArray2ByteArray(md5ByteArray, abcd, 16);
    }

    /**
     * MD5核心变换计算程序: 由md5Update函数调用,block是分块的原始字节数组
     *
     * @param blockByteArray 512bit分组数据,分为16个子分组,每个分组32bit数据
     */
    private void md5Transform(byte blockByteArray[]) {
        // 初始化a、b、c、d
        long a = abcd[0], b = abcd[1], c = abcd[2], d = abcd[3];
        // 512bit分成16个子分组,每个分组32bit
        // 16 * 32bit = 512bit
        long[] M32 = new long[16];
        byteArray2LongArray(M32, blockByteArray, 64);
        // 进行4级级联运算
        // 第1级
        a = FF(a, b, c, d, M32[0], S11, 0xd76aa478L); /* 1 */
        d = FF(d, a, b, c, M32[1], S12, 0xe8c7b756L); /* 2 */
        c = FF(c, d, a, b, M32[2], S13, 0x242070dbL); /* 3 */
        b = FF(b, c, d, a, M32[3], S14, 0xc1bdceeeL); /* 4 */
        a = FF(a, b, c, d, M32[4], S11, 0xf57c0fafL); /* 5 */
        d = FF(d, a, b, c, M32[5], S12, 0x4787c62aL); /* 6 */
        c = FF(c, d, a, b, M32[6], S13, 0xa8304613L); /* 7 */
        b = FF(b, c, d, a, M32[7], S14, 0xfd469501L); /* 8 */
        a = FF(a, b, c, d, M32[8], S11, 0x698098d8L); /* 9 */
        d = FF(d, a, b, c, M32[9], S12, 0x8b44f7afL); /* 10 */
        c = FF(c, d, a, b, M32[10], S13, 0xffff5bb1L); /* 11 */
        b = FF(b, c, d, a, M32[11], S14, 0x895cd7beL); /* 12 */
        a = FF(a, b, c, d, M32[12], S11, 0x6b901122L); /* 13 */
        d = FF(d, a, b, c, M32[13], S12, 0xfd987193L); /* 14 */
        c = FF(c, d, a, b, M32[14], S13, 0xa679438eL); /* 15 */
        b = FF(b, c, d, a, M32[15], S14, 0x49b40821L); /* 16 */

        // 第2级
        a = GG(a, b, c, d, M32[1], S21, 0xf61e2562L); /* 17 */
        d = GG(d, a, b, c, M32[6], S22, 0xc040b340L); /* 18 */
        c = GG(c, d, a, b, M32[11], S23, 0x265e5a51L); /* 19 */
        b = GG(b, c, d, a, M32[0], S24, 0xe9b6c7aaL); /* 20 */
        a = GG(a, b, c, d, M32[5], S21, 0xd62f105dL); /* 21 */
        d = GG(d, a, b, c, M32[10], S22, 0x2441453L); /* 22 */
        c = GG(c, d, a, b, M32[15], S23, 0xd8a1e681L); /* 23 */
        b = GG(b, c, d, a, M32[4], S24, 0xe7d3fbc8L); /* 24 */
        a = GG(a, b, c, d, M32[9], S21, 0x21e1cde6L); /* 25 */
        d = GG(d, a, b, c, M32[14], S22, 0xc33707d6L); /* 26 */
        c = GG(c, d, a, b, M32[3], S23, 0xf4d50d87L); /* 27 */
        b = GG(b, c, d, a, M32[8], S24, 0x455a14edL); /* 28 */
        a = GG(a, b, c, d, M32[13], S21, 0xa9e3e905L); /* 29 */
        d = GG(d, a, b, c, M32[2], S22, 0xfcefa3f8L); /* 30 */
        c = GG(c, d, a, b, M32[7], S23, 0x676f02d9L); /* 31 */
        b = GG(b, c, d, a, M32[12], S24, 0x8d2a4c8aL); /* 32 */

        // 第3级
        a = HH(a, b, c, d, M32[5], S31, 0xfffa3942L); /* 33 */
        d = HH(d, a, b, c, M32[8], S32, 0x8771f681L); /* 34 */
        c = HH(c, d, a, b, M32[11], S33, 0x6d9d6122L); /* 35 */
        b = HH(b, c, d, a, M32[14], S34, 0xfde5380cL); /* 36 */
        a = HH(a, b, c, d, M32[1], S31, 0xa4beea44L); /* 37 */
        d = HH(d, a, b, c, M32[4], S32, 0x4bdecfa9L); /* 38 */
        c = HH(c, d, a, b, M32[7], S33, 0xf6bb4b60L); /* 39 */
        b = HH(b, c, d, a, M32[10], S34, 0xbebfbc70L); /* 40 */
        a = HH(a, b, c, d, M32[13], S31, 0x289b7ec6L); /* 41 */
        d = HH(d, a, b, c, M32[0], S32, 0xeaa127faL); /* 42 */
        c = HH(c, d, a, b, M32[3], S33, 0xd4ef3085L); /* 43 */
        b = HH(b, c, d, a, M32[6], S34, 0x4881d05L); /* 44 */
        a = HH(a, b, c, d, M32[9], S31, 0xd9d4d039L); /* 45 */
        d = HH(d, a, b, c, M32[12], S32, 0xe6db99e5L); /* 46 */
        c = HH(c, d, a, b, M32[15], S33, 0x1fa27cf8L); /* 47 */
        b = HH(b, c, d, a, M32[2], S34, 0xc4ac5665L); /* 48 */

        // 第4级
        a = II(a, b, c, d, M32[0], S41, 0xf4292244L); /* 49 */
        d = II(d, a, b, c, M32[7], S42, 0x432aff97L); /* 50 */
        c = II(c, d, a, b, M32[14], S43, 0xab9423a7L); /* 51 */
        b = II(b, c, d, a, M32[5], S44, 0xfc93a039L); /* 52 */
        a = II(a, b, c, d, M32[12], S41, 0x655b59c3L); /* 53 */
        d = II(d, a, b, c, M32[3], S42, 0x8f0ccc92L); /* 54 */
        c = II(c, d, a, b, M32[10], S43, 0xffeff47dL); /* 55 */
        b = II(b, c, d, a, M32[1], S44, 0x85845dd1L); /* 56 */
        a = II(a, b, c, d, M32[8], S41, 0x6fa87e4fL); /* 57 */
        d = II(d, a, b, c, M32[15], S42, 0xfe2ce6e0L); /* 58 */
        c = II(c, d, a, b, M32[6], S43, 0xa3014314L); /* 59 */
        b = II(b, c, d, a, M32[13], S44, 0x4e0811a1L); /* 60 */
        a = II(a, b, c, d, M32[4], S41, 0xf7537e82L); /* 61 */
        d = II(d, a, b, c, M32[11], S42, 0xbd3af235L); /* 62 */
        c = II(c, d, a, b, M32[2], S43, 0x2ad7d2bbL); /* 63 */
        b = II(b, c, d, a, M32[9], S44, 0xeb86d391L); /* 64 */

        //分别累加到 a[0], b[1], c[2], d[3]
        abcd[0] += a;
        abcd[1] += b;
        abcd[2] += c;
        abcd[3] += d;
    }


    // #######################################################

    //定义F G H I 为4个基数 ,即为4个基本的MD5函数,进行简单的位运算
    private long F(long x, long y, long z) {
        return (x & y) | ((~x) & z);
    }

    private long G(long x, long y, long z) {
        return (x & z) | (y & (~z));
    }

    private long H(long x, long y, long z) {
        return x ^ y ^ z;
    }

    private long I(long x, long y, long z) {
        return y ^ (x | (~z));
    }

    // FF,GG,HH和II调用F,G,H,I函数进行进一步变换
    private long FF(long a, long b, long c, long d, long x, long s, long ac) {
        a += F(b, c, d) + x + ac;
        // 循环左移s位
        //这里long型数据右移时使用无符号右移运算符>>>
        a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
        a += b;
        return a;
    }

    private long GG(long a, long b, long c, long d, long x, long s, long ac) {
        a += G(b, c, d) + x + ac;
        // 循环左移s位
        //这里long型数据右移时使用无符号右移运算符>>>
        a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
        a += b;
        return a;
    }

    private long HH(long a, long b, long c, long d, long x, long s, long ac) {
        a += H(b, c, d) + x + ac;
        // 循环左移s位
        //这里long型数据右移时使用无符号右移运算符>>>
        a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
        a += b;
        return a;
    }

    private long II(long a, long b, long c, long d, long x, long s, long ac) {
        a += I(b, c, d) + x + ac;
        // 循环左移s位
        //这里long型数据右移时使用无符号右移运算符>>>
        a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
        a += b;
        return a;
    }

    // #######################################################


    /**
     * byte数组的块拷贝函数:将input数组中的起始位置为inpos,长度len的数据拷贝到output数组起始位置outpos处
     */
    private void md5Memcpy(byte[] output, byte[] input, int outpos, int inpos,
                           int len) {
        int i;
        for (i = 0; i < len; i++) {
            output[outpos + i] = input[inpos + i];
        }
    }

    // #######################################################


    /**
     * 把byte类型的数据转换成十六进制ASCII字符表示
     *
     * @param in
     * @return
     */
    private static String byte2HEX(byte in) {
        char[] digitStr =
                {
                        '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9',
                        'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F'
                };
        char[] out = new char[2];
        out[0] = digitStr[(in >> 4) & 0x0F]; //取高4位
        out[1] = digitStr[in & 0x0F];        //取低4位
        String s = new String(out);
        return s;
    }

    /**
     * 将long型数组按顺序拆成byte型数组 (低位在前,高位在后)
     *
     * @param outputByteArray 输出byte数组
     * @param inputLongArray  输入long数组
     * @param byteLength      outputByteArray字节数组的长度
     */
    private void longArray2ByteArray(byte[] outputByteArray, long[] inputLongArray, int byteLength) {
        int i, j;
        for (i = 0, j = 0; j < byteLength; i++, j += 4) {
            // 低8位
            outputByteArray[j] = (byte) (inputLongArray[i] & 0xffL);
            // 中间8位[低]
            outputByteArray[j + 1] = (byte) ((inputLongArray[i] >>> 8) & 0xffL);
            // 中间8位[高]
            outputByteArray[j + 2] = (byte) ((inputLongArray[i] >>> 16) & 0xffL);
            // 高8位
            outputByteArray[j + 3] = (byte) ((inputLongArray[i] >>> 24) & 0xffL);
        }
    }

    /**
     * 将byte型数组按顺序合成long型数组,长度为len
     *
     * @param output
     * @param input
     * @param len
     */
    private void byteArray2LongArray(long[] output, byte[] input, int len) {
        int i, j;
        for (i = 0, j = 0; j < len; i++, j += 4) {
            output[i] = byte2Long(input[j])
                    | (byte2Long(input[j + 1]) << 8)
                    | (byte2Long(input[j + 2]) << 16)
                    | (byte2Long(input[j + 3]) << 24);
        }
    }

    /**
     * 把byte型数据转换为无符号long型数据
     *
     * @param b
     * @return
     */
    private static long byte2Long(byte b) {
        return b > 0 ? b : (b & 0x7F + 128);
    }
}


四、MD5 API使用

Java中使用Java API实现MD5的代码片段,记录一下,留着以后 coding 时快速使用:

public static String getMd5(String inputStr) {
    String md5Str = "";
    // 判空处理
    if (inputStr == null || inputStr.equals("")) {
        return md5Str;
    }
    try {
        //
        // 1、得到长度为16的byte字节数组
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("md5");
        md.update(inputStr.getBytes());
        byte[] bytes = md.digest();
        //
        // 2、长度为16的byte字节数组,转化为长度为32的字符串
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            // 转化为16进制字符串
            String hexStr = Integer.toHexString(b & 0xFF);
            // 字符串长度为1时补0
            if (hexStr.length() == 1) {
                sb.append("0");
            }
            sb.append(hexStr);
        }
        // 得到长度为32的字符串
        md5Str = sb.toString();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return md5Str;
}

五、参考:

MD5 Message-Digest:
https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc1321

RFC 6151:
https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6151

维基百科MD5:
https://zh.wikipedia.org/wiki/MD5

MD5算法原理:
https://www.cnblogs.com/nhdlb/p/12007162.html

MD5算法:
https://blog.csdn.net/sinat_27933301/article/details/79538169

= THE END =

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posted @ 2021-07-13 09:15  xiaxveliang  阅读(2308)  评论(4编辑  收藏  举报