MD5 加密算法详解

一、概念
二、算法原理
- 2.1、MD5(32)、MD5(16)
- 2.2、算法 4步流程
三、其他
- 3.1、作用
- 3.2、MD5可以作为数据库主键，唯一吗？
- 3.3、测试源码

一、概念

MD5算法是单向散列算法的一种。单向散列算法也称为HASH算法，是一种将任意长度的信息压缩至某一固定长度（称之为消息摘要）的函数(该压缩过程不可逆)。在MD5算法中，这个摘要是指将任意数据映射成一个128位长的摘要信息。并且其是不可逆的，即从摘要信息无法反向推演中原文，在演算过程中，原文的内容也是有丢失的。

并非说md5不能破解。MD5破解可以参考王晓云教授的《MD5破解》论文

因为MD5算法最终生成的是一个128位长的数据，从原理上说，有2^128种可能，这是一个非常巨大的数据，约等于3.4乘10的38次方，虽然这个是个天文数字，但是世界上可以进行加密的数据原则上说是无限的，因此是可能存在不同的内容经过MD5加密后得到同样的摘要信息，但这个碰中的概率非常小。可用于数字签名、信息完整性检查等用途；

1、对于需要高度安全性的数据，一般改用其他算法，如SHA-2。MD5算法无法防止碰撞（collision），因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是高要求的数字签名等用途。
2、常见的散列算法还有SHA、RIPE-MD、HAVAL、N-Hash等

二、算法原理

2.1、MD5(32)、MD5(16)

MD5以512位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为16个32位子分组，经过了一系列的处理后，算法的输出由四个32位分组组成，将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。
将这128 位用十六进制表示便是常见的32 字符的MD5 码，而所谓的16 字符的MD5 码，其实是这32 字符中间的16 个字符。

MD5(123456,32) = e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e
MD5(123456,16) = 49ba59abbe56e057

2.2、算法 4步流程

MD5 算法将输入的信息进行分组，每组512 位（64个字节），顺序处理完所有分组后输出128 位结果。
在每一组消息的处理中，都要进行4 轮、每轮16 步、总计64 步的处理。其中每步计算中含一次左循环移位，每一步结束时将计算结果进行一次右循环移位。详见下方流程。

第1步：进行数据填充整理

这一步是对要加密的数据进行填充和整理，将要加密的二进制数据对512取模，得到的结果如果不够448位，则进行补足，补足的方式是第1位填充1，后面全部填充0。

为啥是448位呢？在数据读取时，会有一个结束标识位。如同c中的字符串，有一个\0的结束标识；
将需加密的信件信息（如一份文件）分次读取到缓冲区中，一次最好读取64*n 个字节，这样就是n 组，方便处理。那么此时，对信息进行填充，使其字节数除以64 时余数为56，其一个结束标识符就是8字节；如，一个消息为64n 倍数字节，则最后一次读取0 字节（结束标识），据本规则将填充56 字节(448bit)。

第2步：记录数据长度

经过第一步整理完成后的数据的位数可以表示为N*512+448，再向其后追加64位用来存储数据的长度，比如数据的长度为16字节，则用10000来填充后64位。这一步做完后，数据的位数将变成(N+1)*512。

第3步：以标准的幻数作为输入

MD5的实现需要每512个字节进行一次处理，后一次处理的输入为前一次处理的输出，因此，在循环处理开始之前，需要拿4个标准数作为输入，它们分别是：

unsigned int A=0x67452301,B=0xefcdab89,C=0x98badcfe,D=0x10325476;

第4步：进行N轮循环处理，将最后的结果输出

这一步重要的是每一轮的处理算法，每一轮处理也要循环64次，这64次循环被分为4各组，每16次循环为一组，每组循环使用不同的逻辑处理函数，处理完成后，将输出作为输入进入下一轮循环。

通过上面的标准128bit 输入，参与每组512bit 计算，得到一个新的128值，接着参与下一轮循环运算，最终得到一个128位的值；
具体运算：
这里用到4 个逻辑函数F,G,H,I，分别对应4 轮运算，它们将参与运算。（4轮16步）
第一轮逻辑函数：F(b,c,d)=(b&c)|((~b)&d) 参与第一轮的16 步运算 (b,c,d均为32位数)
第二轮逻辑函数：G(b,c,d)=(b&d)|(c&(~d)) 参与第二轮的16 步运算
第三轮逻辑函数：H(b,c,d)= b^cd 参与第三轮的16 步运算
第四轮逻辑函数：I(b,c,d)= c^(b|(~d)) 参与第四轮的16 步运算
再引入一个移位函数MOVE(X,n)，它将整型变量X 左循环移n 位，如变量X 为32 位，则MOVE(X,n)= (X
<< n) | (X >> (32 - n))。

三、其他

3.1、作用

一致性检验，如大文件上传时，需要对文件一致性校验；
数字签名，还是最上面那个例子。只是把md5看出了一个指纹，按了个手印说明独一无二了；
安全访问认证等；

如：在用户注册时，会将密码进行md5加密，存到数据库中。这样可以防止那些可以看到数据库数据的人，恶意操作了。

3.2、MD5可以作为数据库主键，唯一吗？

前面也讲了md5无法避免碰撞，那么md5值就不唯一。
也就是一个原始数据，只对应一个md5值；但是一个md5值，可能对应多个原始数据。

3.3、测试源码

package com.xuecheng.test.md5test;import org.springframework.util.DigestUtils;public class MD5 {/**四个链接变量*/private final int A=0x67452301;private final int B=0xefcdab89;private final int C=0x98badcfe;private final int D=0x10325476;/**ABCD的临时变量*/private int Atemp,Btemp,Ctemp,Dtemp;/**常量ti*公式:floor(abs(sin(i+1))×(2pow32)*/private final int K[]={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};/**向左位移数,计算方法未知*/private final int s[]={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};/**初始化函数*/private void init(){Atemp=A;Btemp=B;Ctemp=C;Dtemp=D;}/**移动一定位数*/private int  shift(int a,int s){return(a<<s)|(a>>>(32-s));//右移的时候，高位一定要补零，而不是补充符号位}/**主循环*/private void MainLoop(int M[]){int F,g;int a=Atemp;int b=Btemp;int c=Ctemp;int d=Dtemp;for(int 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;}int tmp=d;d=c;c=b;b=b+shift(a+F+K[i]+M[g],s[i]);a=tmp;}Atemp=a+Atemp;Btemp=b+Btemp;Ctemp=c+Ctemp;Dtemp=d+Dtemp;}/**填充函数*处理后应满足bits≡448(mod512),字节就是bytes≡56（mode64)*填充方式为先加一个0,其它位补零*最后加上64位的原来长度*/private int[] add(String str){int num=((str.length()+8)/64)+1;//以512位，64个字节为一组int strByte[]=new int[num*16];//64/4=16，所以有16个整数for(int i=0;i<num*16;i++){//全部初始化0strByte[i]=0;}int    i;for(i=0;i<str.length();i++){strByte[i>>2]|=str.charAt(i)<<((i%4)*8);//一个整数存储四个字节，小端序}strByte[i>>2]|=0x80<<((i%4)*8);//尾部添加1/**添加原长度，长度指位的长度，所以要乘8，然后是小端序，所以放在倒数第二个,这里长度只用了32位*/strByte[num*16-2]=str.length()*8;return strByte;}/**调用函数*/public String getMD5(String source){init();int strByte[]=add(source);for(int i=0;i<strByte.length/16;i++){int num[]=new int[16];for(int j=0;j<16;j++){num[j]=strByte[i*16+j];}MainLoop(num);}return changeHex(Atemp)+changeHex(Btemp)+changeHex(Ctemp)+changeHex(Dtemp);}/**整数变成16进制字符串*/private String changeHex(int a){String str="";for(int i=0;i<4;i++){str+=String.format("%2s", Integer.toHexString(((a>>i*8)%(1<<8))&0xff)).replace(' ', '0');}return str;}/**单例*/private static MD5 instance;public static MD5 getInstance(){if(instance==null){instance=new MD5();}return instance;}private MD5(){};public static void main(String[] args){String str=MD5.getInstance().getMD5("123");System.out.println(str);String s1 = DigestUtils.md5DigestAsHex("123".getBytes());System.out.println(s1);}}

参考资料

https://cloud.tencent.com/developer/article/1402024
https://my.oschina.net/u/3352105/blog/875927
https://www.cnblogs.com/orangebook/p/3558334.html

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