【MD5】
简介
MD5的全称是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法），在90年代初由Ronald L. Rivest开发出来，经MD2、MD3和MD4发展而来。
MD5是一种散列(Hash)算法，散列算法的用途不是对明文加密，让别人看不懂，而是通过对信息摘要的比对，防止对原文的篡改。通常对散列算法而言，所谓的“破解”，就是找碰撞。
MD5是把一个任意长度的字节串加密成一个固定长度的大整数（通常是16位或32位），加密的过程中要筛选过滤掉一些原文的数据信息，因此想通过对加密的结果进行逆运算来得出原文是不可能的。
关于MD5的应用，举个具体的例子吧。例如你在一个论坛注册一个账号，密码设为“qiuyu21”。此密码经过MD5运算后，变成“287F1E255D930496EE01037339CD978D”，当你点“提交”按钮提交时，服务器的数据库中不记录你的真正密码“qiuyu21”，而是记录那个MD5的运算结果。然后，你在此论坛登录，登录时你用的密码是“qiuyu21”，电脑再次进行MD5运算，把“qiuyu21”转为“287F1E255D930496EE01037339CD978D”，然后传送到服务器那边。这时服务器就把你传过来的MD5运算结果与数据库中你注册时的MD5运算结果比较，如果相同则登录成功。
也就是说，服务器只是把MD5运算结果作比较。你也许会问，服务器为什么不用直接对你的密码“qiuyu21”进行校验呢？因为如果服务器的数据库里存的是你的真实密码，那么黑客只要破解了服务器的数据库，那么他也就得到了所有人的密码，他可以用里面的任意密码进行登录。但是如果数据库里面的密码都是MD5格式的，那么即使黑客得到了“287F1E255D930496EE01037339CD978D”这一串数字，他也不能以此作为密码来登录。
现在再来谈谈MD5的破解。假设你是攻击者，已经得到了“287F1E255D930496EE01037339CD978D”这一串数字，那么你怎么能得出我的密码是“qiuyu21”呢？因为MD5算法是不可逆的，你只能用暴力法(穷举法)来破解，就是列举所有可能的字母和数字的排列组合，然后一一进行MD5运算来验证运算结果是否为“287F1E255D930496EE01037339CD978D”，“qiuyu21”这个密码是7位英文字符和数字混合，这样的排列组合的数量是个天文数字，如果一一列举，那么在你有生之年是看不到了。所以只有使用黑客字典才是一种有效可行的方法，黑客字典可以根据一些规则自动生成。例如“qiuyu21”这个密码，就是一种常见的组合，规则是：拼音+拼音+数字，拼音总共大约400个，数字以2位数100个来算，这种规则总共约400*400*100=16,000,000种可能，使用优化的算法，估计用1秒就能破解吧。就算考虑到字母开头大写或全部大写的习惯，也只会花大约10几秒时间。如果是破解你熟悉的某个人的密码，那么你可以根据你对他的了解来缩小词典的范围，以便更快速的破解。这种破解方法在很大程度上依赖于你的运气。
最后谈谈MD5的碰撞。根据密码学的定义，如果内容不同的明文，通过散列算法得出的结果（密码学称为信息摘要）相同，就称为发生了“碰撞”。因为MD5值可以由任意长度的字符计算出来，所以可以把一篇文章或者一个软件的所有字节进行MD5运算得出一个数值，如果这篇文章或软件的数据改动了，那么再计算出的MD5值也会产生变化，这种方法常常用作数字签名校验。因为明文的长度可以大于MD5值的长度，所以可能会有多个明文具有相同的MD5值，如果你找到了两个相同MD5值的明文，那么你就是找到了MD5的“碰撞”。
散列算法的碰撞分为两种，强无碰撞和弱无碰撞。还是以前面那个密码为例：假如你已知“287F1E255D930496EE01037339CD978D”这个MD5值，然后找出了一个单词碰巧也能计算出和“qiuyu21”相同的MD5值，那么你就找到了MD5的“弱无碰撞”，其实这就意味着你已经破解了MD5。如果不给你指定的MD5值，让你随便去找任意两个相同MD5值的明文，即找“强无碰撞”，显然要相对容易些了，但对于好的散列算法来说，做到这一点也很不容易了。
值得一提的是，强无碰撞已经被中国的王小云老师给搞定了，她提出的算法可以在短时间内找到碰撞，在世界上引起了轰动，现在的电脑大约一两个小时就可以找到一对碰撞。遗憾的是，找到强无碰撞在实际破解中没有什么真正的用途，所以现在MD5仍然是很安全的。
MD5算法描述
对MD5算法简要的叙述可以为：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。
在MD5算法中，首先需要对信息进行填充，使其字节长度对512求余的结果等于448。因此，信息的字节长度（Bits Length）将被扩展至N*512+448，即N*64+56个字节（Bytes），N为一个正整数。填充的方法如下，在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用0对信息的填充。然后，在在这个结果后面附加一个以64位二进制表示的填充前信息长度。经过这两步的处理，现在的信息字节长度=N*512+448+64=(N+1)*512，即长度恰好是512的整数倍。这样做的原因是为满足后面处理中对信息长度的要求。
MD5中有四个32位被称作链接变量（Chaining Variable）的整数参数，他们分别为：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210。
当设置好这四个链接变量后，就开始进入算法的四轮循环运算。循环的次数是信息中512位信息分组的数目。
将上面四个链接变量复制到另外四个变量中：A到a，B到b，C到c，D到d。
主循环有四轮（MD4只有三轮），每轮循环都很相似。第一轮进行16次操作。每次操作对a、b、c和d中的其中三个作一次非线性函数运算，然后将所得结果加上第四个变量，文本的一个子分组和一个常数。再将所得结果向右环移一个不定的数，并加上a、b、c或d中之一。最后用该结果取代a、b、c或d中之一。以一下是每次操作中用到的四个非线性函数（每轮一个）。
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))
（&是与，|是或，~是非，^是异或）
这四个函数的说明：如果X、Y和Z的对应位是独立和均匀的，那么结果的每一位也应是独立和均匀的。F是一个逐位运算的函数。即，如果X，那么Y，否则Z。函数H是逐位奇偶操作符。
假设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15）:
<< FF(a,b,c,d,Mj,s,ti) 表示 a=b+((a+(F(b,c,d)+Mj+ti)
<< GG(a,b,c,d,Mj,s,ti) 表示 a=b+((a+(G(b,c,d)+Mj+ti)
<< HH(a,b,c,d,Mj,s,ti) 表示 a=b+((a+(H(b,c,d)+Mj+ti)
<< II(a,b,c,d,Mj,s,ti) 表示 a=b+((a+(I(b,c,d)+Mj+ti)
这四轮（64步）是：
第一轮
FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478)
FF(d,a,b,c,M1,12,0xe8c7b756)
FF(c,d,a,b,M2,17,0x242070db)
FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee)
FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)
FF(d,a,b,c,M5,12,0x4787c62a)
FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613)
FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501)
FF(a,b,c,d,M8,7,0x698098d8)
FF(d,a,b,c,M9,12,0x8b44f7af)
FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1)
FF(b,c,d,a,M11,22,0x895cd7be)
FF(a,b,c,d,M12,7,0x6b901122)
FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193)
FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e)
FF(b,c,d,a,M15,22,0x49b40821)
第二轮
GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562)
GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340)
GG(c,d,a,b,M11,14,0x265e5a51)
GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa)
GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)
GG(d,a,b,c,M10,9,0x02441453)
GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681)
GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8)
GG(a,b,c,d,M9,5,0x21e1cde6)
GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6)
GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87)
GG(b,c,d,a,M8,20,0x455a14ed)
GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905)
GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8)
GG(c,d,a,b,M7,14,0x676f02d9)
GG(b,c,d,a,M12,20,0x8d2a4c8a)
第三轮
HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942)
HH(d,a,b,c,M8,11,0x8771f681)
HH(c,d,a,b,M11,16,0x6d9d6122)
HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c)
HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44)
HH(d,a,b,c,M4,11,0x4bdecfa9)
HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60)
HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70)
HH(a,b,c,d,M13,4,0x289b7ec6)
HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa)
HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085)
HH(b,c,d,a,M6,23,0x04881d05)
HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039)
HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5)
HH(c,d,a,b,M15,16,0x1fa27cf8)
HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665)
第四轮
II(a,b,c,d,M0,6,0xf4292244)
II(d,a,b,c,M7,10,0x432aff97)
II(c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7)
II(b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039)
II(a,b,c,d,M12,6,0x655b59c3)
II(d,a,b,c,M3,10,0x8f0ccc92)
II(c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d)
II(b,c,d,a,M1,21,0x85845dd1)
II(a,b,c,d,M8,6,0x6fa87e4f)
II(d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0)
II(c,d,a,b,M6,15,0xa3014314)
II(b,c,d,a,M13,21,0x4e0811a1)
II(a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82)
II(d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235)
II(c,d,a,b,M2,15,0x2ad7d2bb)
II(b,c,d,a,M9,21,0xeb86d391)
常数ti可以如下选择：
在第i步中，ti是4294967296*abs(sin(i))的整数部分，i的单位是弧度。(4294967296等于2的32次方)所有这些完成之后，将A、B、C、D分别加上a、b、c、d。然后用下一分组数据继续运行算法，最后的输出是A、B、C和D的级联。
当你按照我上面所说的方法实现MD5算法以后，你可以用以下几个信息对你做出来的程序作一个简单的测试，看看程序有没有错误。
MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789") = d174ab98d277d9f5a5611c2c9f419d9f
MD5 ("12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890") = 57edf4a22be3c955ac49da2e2107b67a
MD5的安全性
MD5相对MD4所作的改进：
1. 增加了第四轮；
2. 每一步均有唯一的加法常数；
3. 为减弱第二轮中函数G的对称性从(X&Y)|(X&Z)|(Y&Z)变为(X&Z)|(Y&(~Z))；
4. 第一步加上了上一步的结果，这将引起更快的雪崩效应；
5. 改变了第二轮和第三轮中访问消息子分组的次序，使其更不相似；
6. 近似优化了每一轮中的循环左移位移量以实现更快的雪崩效应。各轮的位移量互不相同。
————————以上内容均转自《灰灰的密码学笔记》特此说明！！ |
