北理工网络安全导论作业：MD5算法

一.8位hash值摘要算法设计

1.进行数据填充使消息的长度对32取模得28，填充方法是，填充第一位为1，其余为0。

2.在消息后面添加4位值，表示原消息的长度。如果消息长度大于2^4，则只使用其低4位的值。

3. 把消息分以32位为一分组进行处理，每一分组又被划分为16个2位子分组。每一个分组进行4轮变换，以4个常数为起始变量进行计算，重新输出4个变量，以这4个变量再进行下一分组的运算，如果已经是最后一个分组，则这4个变量为最后的结果，即MD5值。

4个常数： A = 01, B = 19, C = 28, D = 44;

4个函数：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));

二.MD5算法实验

1.分析编程实现

首先，进行数据填充使消息的长度对512取模得448。填充方法是，填充第一位为1，其余为0。

然后，再在第一步结果之后再填充上原消息的长度，可用来进行的存储长度为64位。如果消息长度大于2^64，则只使用其低64位的值。

把消息分以512位为一分组进行处理，每一分组又被划分为16个32位子分组。每一个分组进行4轮变换，以4个常数为起始变量进行计算，重新输出4个变量，以这4个变量再进行下一分组的运算，如果已经是最后一个分组，则这4个变量为最后的结果，即MD5值。

4个常数： A = 0x67452301, B = 0x0EFCDAB89, C = 0x98BADCFE, D = 0x10325476;

4个函数：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));

具体代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>// Constants are the integer part of the sines of integers (in radians) * 2^32.
const uint32_t k[64] = {
0xd76aa478, 0xe8c7b756, 0x242070db, 0xc1bdceee ,
0xf57c0faf, 0x4787c62a, 0xa8304613, 0xfd469501 ,
0x698098d8, 0x8b44f7af, 0xffff5bb1, 0x895cd7be ,
0x6b901122, 0xfd987193, 0xa679438e, 0x49b40821 ,
0xf61e2562, 0xc040b340, 0x265e5a51, 0xe9b6c7aa ,
0xd62f105d, 0x02441453, 0xd8a1e681, 0xe7d3fbc8 ,
0x21e1cde6, 0xc33707d6, 0xf4d50d87, 0x455a14ed ,
0xa9e3e905, 0xfcefa3f8, 0x676f02d9, 0x8d2a4c8a ,
0xfffa3942, 0x8771f681, 0x6d9d6122, 0xfde5380c ,
0xa4beea44, 0x4bdecfa9, 0xf6bb4b60, 0xbebfbc70 ,
0x289b7ec6, 0xeaa127fa, 0xd4ef3085, 0x04881d05 ,
0xd9d4d039, 0xe6db99e5, 0x1fa27cf8, 0xc4ac5665 ,
0xf4292244, 0x432aff97, 0xab9423a7, 0xfc93a039 ,
0x655b59c3, 0x8f0ccc92, 0xffeff47d, 0x85845dd1 ,
0x6fa87e4f, 0xfe2ce6e0, 0xa3014314, 0x4e0811a1 ,
0xf7537e82, 0xbd3af235, 0x2ad7d2bb, 0xeb86d391 };// r specifies the per-round shift amounts
const uint32_t r[] = {7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22,5,  9, 14, 20, 5,  9, 14, 20, 5,  9, 14, 20, 5,  9, 14, 20,4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23,6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21};// leftrotate function definition
# define LEFTROTATE(x, c) (((x) << (c)) | ((x) >> (32 - (c))))void to_bytes(uint32_t val, uint8_t *bytes)
{bytes[0] = (uint8_t) val;bytes[1] = (uint8_t) (val >> 8);bytes[2] = (uint8_t) (val >> 16);bytes[3] = (uint8_t) (val >> 24);
}uint32_t to_int32(const uint8_t *bytes)
{return (uint32_t) bytes[0]| ((uint32_t) bytes[1] << 8)| ((uint32_t) bytes[2] << 16)| ((uint32_t) bytes[3] << 24);
}void md5(const uint8_t *initialMsg, size_t initialLen, uint8_t *digest) {// These vars will contain the hashuint32_t h0, h1, h2, h3;// Message (to prepare)uint8_t *msg = NULL;size_t newLen, offset;uint32_t w[16];uint32_t a, b, c, d, i, f, g, temp;// Initialize variables - simple count in nibbles:h0 = 0x67452301;h1 = 0xefcdab89;h2 = 0x98badcfe;h3 = 0x10325476;//Pre-processing://append "1" bit to message    //append "0" bits until message length in bits ≡ 448 (mod 512)//append length mod (2^64) to messagefor (newLen = initialLen + 1; newLen % (512/8) != 448/8; newLen++);msg = (uint8_t*)malloc(newLen + 8);memcpy(msg, initialMsg, initialLen);msg[initialLen] = 0x80; // append the "1" bit; most significant bit is "first"for (offset = initialLen + 1; offset < newLen; offset++)msg[offset] = 0; // append "0" bits// append the len in bits at the end of the buffer.to_bytes(initialLen*8, msg + newLen);// initialLen>>29 == initialLen*8>>32, but avoids overflow.to_bytes(initialLen>>29, msg + newLen + 4);// Process the message in successive 512-bit chunks://for each 512-bit chunk of message:for(offset=0; offset<newLen; offset += (512/8)) {// break chunk into sixteen 32-bit words w[j], 0 ≤ j ≤ 15for (i = 0; i < 16; i++)w[i] = to_int32(msg + offset + i*4);// Initialize hash value for this chunk:a = h0;b = h1;c = h2;d = h3;// Main loop:for(i = 0; i<64; i++) {if (i < 16) {f = (b & c) | ((~b) & d);g = i;} else if (i < 32) {f = (d & b) | ((~d) & c);g = (5*i + 1) % 16;} else if (i < 48) {f = b ^ c ^ d;g = (3*i + 5) % 16;          } else {f = c ^ (b | (~d));g = (7*i) % 16;}temp = d;d = c;c = b;b = b + LEFTROTATE((a + f + k[i] + w[g]), r[i]);a = temp;}// Add this chunk's hash to result so far:h0 += a;h1 += b;h2 += c;h3 += d;}// cleanupfree(msg);//var char digest[16] := h0 append h1 append h2 append h3 //(Output is in little-endian)to_bytes(h0, digest);to_bytes(h1, digest + 4);to_bytes(h2, digest + 8);to_bytes(h3, digest + 12);
}int main(int argc, char **argv) {char *msg;size_t len;int i;uint8_t result[16];char a[100];scanf("%s",a);msg = a;len = strlen(msg);// benchmarkfor (i = 0; i < 1000000; i++) {md5((uint8_t*)msg, len, result);}// display resultfor (i = 0; i < 16; i++)printf("%2.2x", result[i]); //十六进制输出 puts("");return 0;
}//代码来源https://github.com/LovelyBuggies/C_InfoSecurity_Experiments/blob/master/MD5/src/MD5.c

2.特性验证

仅仅改变明文一位，输出完全发生变化，说明其具有雪崩效应。

还能说明其有弱碰撞性，很难找到MD5值完全相同的两段不同明文。

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