MD5算法分析及java代码实现

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MD5 文件加密哈希算法数据结构 java

MD5算法分析及其java代码实现

上一篇博文深入分析了java JDK中的java.util.HashMap类，其实哈希表在日常生活中用的十分广泛，从到数据存储，文件加密，数字签名。本篇博文主要介绍利用散列实现MD5加密算法。

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，使其位长对512求余的结果等于448。因此，信息的位长（Bits Length）将被扩展至N*512+448，N为一个非负整数，N可以是零。填充的方法如下，在信息的后面填充一个1和剩余的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，现在的信息的位长=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。

如下图：

MD5初始的128位值为初试链接变量，为4组8位16进制数。分别为：

A=0x67452301

B=0xefcdab89

C=0x98badcfe

D=0x98badcfe

在java中用数组封装：

private long[] state = new long[4]; // state (ABCD)
		state[0] = 0x67452301L;
		state[1] = 0xefcdab89L;
		state[2] = 0x98badcfeL;
		state[3] = 0x10325476L;

基本处理思想：初始为128个bit 信息，将128bit 初始信息与分割后的512bit 数据经过4组16次hash循环算法，得到128bit 的新信息，依次循环，直到与最后一组512 bit的数据hash算法后，就得到的整个文件的MD5值。

MD5主循环有四轮，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。再将所得结果向左环移一个不定的数，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。

四个非线性函数：

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))

将其用java代码实现：

/**
 * F, G, H ,I 是4个基本的MD5函数 把它们封装成private方法，名字保持一致。
 * 
 * @param x
 * @param y
 * @param z
 * @return
 */
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));
}

进一步位运算： FF, GG, HH和II

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)

Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），常数ti是2^32*abs(sin(i)）的整数部分，i取值从1到64

作用如下图：

java代码实现：

/**
 * FF,GG,HH和II将调用F,G,H,I进行近一步变换 FF, GG, HH和II
 * 
 * @param a
 * @param b
 * @param c
 * @param d
 * @param Mj : 第j个子分组
 * @param s : 左移位数
 * @param ac : 2^32 * abs(sin(i))的整数部分，i取值从1到64，单位是弧度。
 * @return
 */
private long FF(long a, long b, long c, long d, long Mj, long s, long ac) {
	a += F(b, c, d) + Mj + ac;
	a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
	a += b;
	return a;
}

private long GG(long a, long b, long c, long d, long Mj, long s, long ac) {
	a += G(b, c, d) + Mj + ac;
	a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
	a += b;
	return a;
}

private long HH(long a, long b, long c, long d, long Mj, long s, long ac) {
	a += H(b, c, d) + Mj + ac;
	a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
	a += b;
	return a;
}

private long II(long a, long b, long c, long d, long Mj, long s, long ac) {
	a += I(b, c, d) + Mj + ac;
	a = ((int) a << s) | ((int) a >>> (32 - s));
	a += b;
	return a;
}

循环哈希算法

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）

为了方便期间，我们定义一个所用到的s用4 * 4的矩形来存储。

上面的部分用java代码实现：

/**
 * MD5核心变换程序，有md5Update调用
 * @param block 分块的原始字节
 */
private void md5Transform(byte block[]) {
	long a = state[0], b = state[1], c = state[2], d = state[3];
	long[] x = new long[16];

	Decode(x, block, 64);//把long类型（64bit）按顺序拆成byte数组

	/* Round 1 */
	a = FF(a, b, c, d, x[0], S11, 0xd76aa478L); /* 1 */
	d = FF(d, a, b, c, x[1], S12, 0xe8c7b756L); /* 2 */
	c = FF(c, d, a, b, x[2], S13, 0x242070dbL); /* 3 */
	b = FF(b, c, d, a, x[3], S14, 0xc1bdceeeL); /* 4 */
	a = FF(a, b, c, d, x[4], S11, 0xf57c0fafL); /* 5 */
	d = FF(d, a, b, c, x[5], S12, 0x4787c62aL); /* 6 */
	c = FF(c, d, a, b, x[6], S13, 0xa8304613L); /* 7 */
	b = FF(b, c, d, a, x[7], S14, 0xfd469501L); /* 8 */
	a = FF(a, b, c, d, x[8], S11, 0x698098d8L); /* 9 */
	d = FF(d, a, b, c, x[9], S12, 0x8b44f7afL); /* 10 */
	c = FF(c, d, a, b, x[10], S13, 0xffff5bb1L); /* 11 */
	b = FF(b, c, d, a, x[11], S14, 0x895cd7beL); /* 12 */
	a = FF(a, b, c, d, x[12], S11, 0x6b901122L); /* 13 */
	d = FF(d, a, b, c, x[13], S12, 0xfd987193L); /* 14 */
	c = FF(c, d, a, b, x[14], S13, 0xa679438eL); /* 15 */
	b = FF(b, c, d, a, x[15], S14, 0x49b40821L); /* 16 */

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

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

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

	state[0] += a;
	state[1] += b;
	state[2] += c;
	state[3] += d;
}

经过以上hash算法，就可以得到文件的MD5值了、、、

为了验证程序的正确性：提供几个常见字符串的MD5值：

空文的散列为：MD5("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e

MD5("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72

参考资料：http://www.ietf.org/rfc/rfc1321.txt

对数据结构还不是特别熟悉，希望大家多多支持和指正。