(1) 补位
信息计算前先要进行位补位,设补位后信息的长度为LEN(bit),则LEN%512 = 448(bit),即数据扩展至K*512+448(bit),K为整数。补位操作始终要执行,即使补位前信息的长度对512求余的结果是448。具体补位操作:补一个1,然后补0至满足上述要求。总共最少要补1bit,最多补512bit。
(2) 添加信息原始长度
将输入信息的原始长度b(bit)表示成一个64-bit的数字,把它添加到上一步的结果后面(在32位的机器上,这64位将用2个字来表示并且低位在 前)。当遇到b大于2^64这种极少的情况时,b的高位被截去,仅使用b的低64位。经过上面两步,数据就被填补成长度为512(bit)的倍数。也就是说,此时的数据长度是16个字(32bit)的整数倍。
(3) 初始化初试链接变量
用一个四个字的缓冲器(A,B,C,D)来计算报文摘要,A,B,C,D分别是32位的寄存器,初始化使用的是十六进制表示的数字,注意低字节在前:
word A: 01 23 45 67 word B: 89 ab cd ef word C: fe dc ba 98 word D: 76 54 32 10
(4) 定义4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))
(&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。
(5) 主循环
每一次处理一个分组(512bit),第一分组需要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。从第二分组开始的变量为上一分组的运算结果。
假设Mj表示消息当前分组(512bit)的第j个子分组(从0到15),常数ti是4294967296*abs(sin(i))的整数部分,i取值从1到64,单位是弧度。(4294967296等于2的32次方)
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)
主循环有四轮,每轮循环都很相似。每一轮进行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。
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)
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。
(6) 输出转换
报文摘要的产生后的形式为:A,B,C,D。也就是低位字节A开始,高位字节D结束。只需要将2进制转换为16进制,128位就变为最后的32位字符串结果了。
(7) 校验
这里提供一些正确的MD5以供校验程序正确性:
MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = f29939a25efabaef3b87e2cbfe641315
三、c++实现
在具体实现的时候上述步骤的顺序会有所变动,因为在大多数情况下我们都无法或很难提前计算出输入信息的长度b(如输入信息来自文件或网络)。因此在具体实现时补位和添加信息原始长度这两步会放在最后面。
md5.h
#ifndef MD5_H
#define MD5_H
#include <string>
#include <fstream>
/* Type define */
typedef unsigned char byte;
typedef unsigned long ulong;
using std::string;
using std::ifstream;
/* MD5 declaration. */
class MD5 {
public:
MD5();
MD5(const void *input, size_t length);
MD5(const string &str);
MD5(ifstream &in);
void update(const void *input, size_t length);
void update(const string &str);
void update(ifstream &in);
const byte* digest();
string toString();
void reset();
private:
void update(const byte *input, size_t length);
void final();
void transform(const byte block[64]);
void encode(const ulong *input, byte *output, size_t length);
void decode(const byte *input, ulong *output, size_t length);
string bytesToHexString(const byte *input, size_t length);
/* class uncopyable */
MD5(const MD5&);
MD5& operator=(const MD5&);
private:
ulong _state[4]; /* state (ABCD) */
ulong _count[2]; /* number of bits, modulo 2^64 (low-order word first) */
byte _buffer[64]; /* input buffer */
byte _digest[16]; /* message digest */
bool _finished; /* calculate finished ? */
static const byte PADDING[64]; /* padding for calculate */
static const char HEX[16];
static const size_t BUFFER_SIZE = 1024;
};
#endif/*MD5_H*/
md5.cpp
#include "md5.h"
using namespace std;
/* Constants for MD5Transform routine. */
#define S11 7
#define S12 12
#define S13 17
#define S14 22
#define S21 5
#define S22 9
#define S23 14
#define S24 20
#define S31 4
#define S32 11
#define S33 16
#define S34 23
#define S41 6
#define S42 10
#define S43 15
#define S44 21
/* F, G, H and I are basic MD5 functions.
*/
#define F(x, y, z) (((x) & (y)) | ((~x) & (z)))
#define G(x, y, z) (((x) & (z)) | ((y) & (~z)))
#define H(x, y, z) ((x) ^ (y) ^ (z))
#define I(x, y, z) ((y) ^ ((x) | (~z)))
/* ROTATE_LEFT rotates x left n bits.
*/
#define ROTATE_LEFT(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n))))
/* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4.
Rotation is separate from addition to prevent recomputation.
*/
#define FF(a, b, c, d, x, s, ac) { \
(a) += F ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \
(a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
(a) += (b); \
}
#define GG(a, b, c, d, x, s, ac) { \
(a) += G ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \
(a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
(a) += (b); \
}
#define HH(a, b, c, d, x, s, ac) { \
(a) += H ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \
(a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
(a) += (b); \
}
#define II(a, b, c, d, x, s, ac) { \
(a) += I ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \
(a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
(a) += (b); \
}
const byte MD5::PADDING[64] = { 0x80 };
const char MD5::HEX[16] = {
'0', '1', '2', '3',
'4', '5', '6', '7',
'8', '9', 'a', 'b',
'c', 'd', 'e', 'f'
};
/* Default construct. */
MD5::MD5() {
reset();
}
/* Construct a MD5 object with a input buffer. */
MD5::MD5(const void *input, size_t length) {
reset();
update(input, length);
}
/* Construct a MD5 object with a string. */
MD5::MD5(const string &str) {
reset();
update(str);
}
/* Construct a MD5 object with a file. */
MD5::MD5(ifstream &in) {
reset();
update(in);
}
/* Return the message-digest */
const byte* MD5::digest() {
if (!_finished) {
_finished = true;
final();
}
return _digest;
}
/* Reset the calculate state */
void MD5::reset() {
_finished = false;
/* reset number of bits. */
_count[0] = _count[1] = 0;
/* Load magic initialization constants. */
_state[0] = 0x67452301;
_state[1] = 0xefcdab89;
_state[2] = 0x98badcfe;
_state[3] = 0x10325476;
}
/* Updating the context with a input buffer. */
void MD5::update(const void *input, size_t length) {
update((const byte*)input, length);
}
/* Updating the context with a string. */
void MD5::update(const string &str) {
update((const byte*)str.c_str(), str.length());
}
/* Updating the context with a file. */
void MD5::update(ifstream &in) {
if (!in)
return;
std::streamsize length;
char buffer[BUFFER_SIZE];
while (!in.eof()) {
in.read(buffer, BUFFER_SIZE);
length = in.gcount();
if (length > 0)
update(buffer, length);
}
in.close();
}
/* MD5 block update operation. Continues an MD5 message-digest
operation, processing another message block, and updating the
context.
*/
void MD5::update(const byte *input, size_t length) {
ulong i, index, partLen;
_finished = false;
/* Compute number of bytes mod 64 */
index = (ulong)((_count[0] >> 3) & 0x3f);
/* update number of bits */
if((_count[0] += ((ulong)length << 3)) < ((ulong)length << 3))
_count[1]++;
_count[1] += ((ulong)length >> 29);
partLen = 64 - index;
/* transform as many times as possible. */
if(length >= partLen) {
memcpy(&_buffer[index], input, partLen);
transform(_buffer);
for (i = partLen; i + 63 < length; i += 64)
transform(&input[i]);
index = 0;
} else {
i = 0;
}
/* Buffer remaining input */
memcpy(&_buffer[index], &input[i], length-i);
}
/* MD5 finalization. Ends an MD5 message-_digest operation, writing the
the message _digest and zeroizing the context.
*/
void MD5::final() {
byte bits[8];
ulong oldState[4];
ulong oldCount[2];
ulong index, padLen;
/* Save current state and count. */
memcpy(oldState, _state, 16);
memcpy(oldCount, _count, 8);
/* Save number of bits */
encode(_count, bits, 8);
/* Pad out to 56 mod 64. */
index = (ulong)((_count[0] >> 3) & 0x3f);
padLen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index);
update(PADDING, padLen);
/* Append length (before padding) */
update(bits, 8);
/* Store state in digest */
encode(_state, _digest, 16);
/* Restore current state and count. */
memcpy(_state, oldState, 16);
memcpy(_count, oldCount, 8);
}
/* MD5 basic transformation. Transforms _state based on block. */
void MD5::transform(const byte block[64]) {
ulong a = _state[0], b = _state[1], c = _state[2], d = _state[3], x[16];
decode(block, x, 64);
/* Round 1 */
FF (a, b, c, d, x[ 0], S11, 0xd76aa478); /* 1 */
FF (d, a, b, c, x[ 1], S12, 0xe8c7b756); /* 2 */
FF (c, d, a, b, x[ 2], S13, 0x242070db); /* 3 */
FF (b, c, d, a, x[ 3], S14, 0xc1bdceee); /* 4 */
FF (a, b, c, d, x[ 4], S11, 0xf57c0faf); /* 5 */
FF (d, a, b, c, x[ 5], S12, 0x4787c62a); /* 6 */
FF (c, d, a, b, x[ 6], S13, 0xa8304613); /* 7 */
FF (b, c, d, a, x[ 7], S14, 0xfd469501); /* 8 */
FF (a, b, c, d, x[ 8], S11, 0x698098d8); /* 9 */
FF (d, a, b, c, x[ 9], S12, 0x8b44f7af); /* 10 */
FF (c, d, a, b, x[10], S13, 0xffff5bb1); /* 11 */
FF (b, c, d, a, x[11], S14, 0x895cd7be); /* 12 */
FF (a, b, c, d, x[12], S11, 0x6b901122); /* 13 */
FF (d, a, b, c, x[13], S12, 0xfd987193); /* 14 */
FF (c, d, a, b, x[14], S13, 0xa679438e); /* 15 */
FF (b, c, d, a, x[15], S14, 0x49b40821); /* 16 */
/* Round 2 */
GG (a, b, c, d, x[ 1], S21, 0xf61e2562); /* 17 */
GG (d, a, b, c, x[ 6], S22, 0xc040b340); /* 18 */
GG (c, d, a, b, x[11], S23, 0x265e5a51); /* 19 */
GG (b, c, d, a, x[ 0], S24, 0xe9b6c7aa); /* 20 */
GG (a, b, c, d, x[ 5], S21, 0xd62f105d); /* 21 */
GG (d, a, b, c, x[10], S22, 0x2441453); /* 22 */
GG (c, d, a, b, x[15], S23, 0xd8a1e681); /* 23 */
GG (b, c, d, a, x[ 4], S24, 0xe7d3fbc8); /* 24 */
GG (a, b, c, d, x[ 9], S21, 0x21e1cde6); /* 25 */
GG (d, a, b, c, x[14], S22, 0xc33707d6); /* 26 */
GG (c, d, a, b, x[ 3], S23, 0xf4d50d87); /* 27 */
GG (b, c, d, a, x[ 8], S24, 0x455a14ed); /* 28 */
GG (a, b, c, d, x[13], S21, 0xa9e3e905); /* 29 */
GG (d, a, b, c, x[ 2], S22, 0xfcefa3f8); /* 30 */
GG (c, d, a, b, x[ 7], S23, 0x676f02d9); /* 31 */
GG (b, c, d, a, x[12], S24, 0x8d2a4c8a); /* 32 */
/* Round 3 */
HH (a, b, c, d, x[ 5], S31, 0xfffa3942); /* 33 */
HH (d, a, b, c, x[ 8], S32, 0x8771f681); /* 34 */
HH (c, d, a, b, x[11], S33, 0x6d9d6122); /* 35 */
HH (b, c, d, a, x[14], S34, 0xfde5380c); /* 36 */
HH (a, b, c, d, x[ 1], S31, 0xa4beea44); /* 37 */
HH (d, a, b, c, x[ 4], S32, 0x4bdecfa9); /* 38 */
HH (c, d, a, b, x[ 7], S33, 0xf6bb4b60); /* 39 */
HH (b, c, d, a, x[10], S34, 0xbebfbc70); /* 40 */
HH (a, b, c, d, x[13], S31, 0x289b7ec6); /* 41 */
HH (d, a, b, c, x[ 0], S32, 0xeaa127fa); /* 42 */
HH (c, d, a, b, x[ 3], S33, 0xd4ef3085); /* 43 */
HH (b, c, d, a, x[ 6], S34, 0x4881d05); /* 44 */
HH (a, b, c, d, x[ 9], S31, 0xd9d4d039); /* 45 */
HH (d, a, b, c, x[12], S32, 0xe6db99e5); /* 46 */
HH (c, d, a, b, x[15], S33, 0x1fa27cf8); /* 47 */
HH (b, c, d, a, x[ 2], S34, 0xc4ac5665); /* 48 */
/* Round 4 */
II (a, b, c, d, x[ 0], S41, 0xf4292244); /* 49 */
II (d, a, b, c, x[ 7], S42, 0x432aff97); /* 50 */
II (c, d, a, b, x[14], S43, 0xab9423a7); /* 51 */
II (b, c, d, a, x[ 5], S44, 0xfc93a039); /* 52 */
II (a, b, c, d, x[12], S41, 0x655b59c3); /* 53 */
II (d, a, b, c, x[ 3], S42, 0x8f0ccc92); /* 54 */
II (c, d, a, b, x[10], S43, 0xffeff47d); /* 55 */
II (b, c, d, a, x[ 1], S44, 0x85845dd1); /* 56 */
II (a, b, c, d, x[ 8], S41, 0x6fa87e4f); /* 57 */
II (d, a, b, c, x[15], S42, 0xfe2ce6e0); /* 58 */
II (c, d, a, b, x[ 6], S43, 0xa3014314); /* 59 */
II (b, c, d, a, x[13], S44, 0x4e0811a1); /* 60 */
II (a, b, c, d, x[ 4], S41, 0xf7537e82); /* 61 */
II (d, a, b, c, x[11], S42, 0xbd3af235); /* 62 */
II (c, d, a, b, x[ 2], S43, 0x2ad7d2bb); /* 63 */
II (b, c, d, a, x[ 9], S44, 0xeb86d391); /* 64 */
_state[0] += a;
_state[1] += b;
_state[2] += c;
_state[3] += d;
}
/* Encodes input (ulong) into output (byte). Assumes length is
a multiple of 4.
*/
void MD5::encode(const ulong *input, byte *output, size_t length) {
for(size_t i=0, j=0; j<length; i++, j+=4) {
output[j]= (byte)(input[i] & 0xff);
output[j+1] = (byte)((input[i] >> 8) & 0xff);
output[j+2] = (byte)((input[i] >> 16) & 0xff);
output[j+3] = (byte)((input[i] >> 24) & 0xff);
}
}
/* Decodes input (byte) into output (ulong). Assumes length is
a multiple of 4.
*/
void MD5::decode(const byte *input, ulong *output, size_t length) {
for(size_t i=0, j=0; j<length; i++, j+=4) {
output[i] = ((ulong)input[j]) | (((ulong)input[j+1]) << 8) |
(((ulong)input[j+2]) << 16) | (((ulong)input[j+3]) << 24);
}
}
/* Convert byte array to hex string. */
string MD5::bytesToHexString(const byte *input, size_t length) {
string str;
str.reserve(length << 1);
for(size_t i = 0; i < length; i++) {
int t = input[i];
int a = t / 16;
int b = t % 16;
str.append(1, HEX[a]);
str.append(1, HEX[b]);
}
return str;
}
/* Convert digest to string value */
string MD5::toString() {
return bytesToHexString(digest(), 16);
}
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