2.Java 加解密技术系列之 MD5

背景

正文

MD5，全称为
“Message Digest Algorithm
5”，中文名“消息摘要算法第五版”，它是计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。严格来说，它是一种摘要算法，是确保信息完
整性的。不过，在某种意义上来说，也可以算作一种加密算法。

MD5 算法具有很多特点：

MD5 的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被"压缩"成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的十六进制数字串）。

MD5
其实在我们生活中是很常用的，似乎你并没有注意到，当你下载了一个镜像之后，你会发现下载页面还提供了一组 MD5 值，那么这组 MD5
值是用来做什么的呢？了解了 MD5 的作用之后，你就不难想到，MD5 是用来验证文件的一致性的，当你下载好镜像之后，你需要对该镜像做一次 MD5
的校验，得到的 MD5 值与下载页面提供的 MD5 值进行对比，以此来验证该镜像是否被篡改。

为什么 MD5 就可以进行一致性校验呢？

其实，MD5 就和人的指纹一样，每个人的指纹都是唯一的，而文件的 MD5 值也是唯一的。至于为什么会这样呢？下面我们看一下 MD5 的工作原理。

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。

总体流程如下图所示， 表示第 i 个分组，每次的运算都由前一轮的 128 位结果值和第 i 块 512 bit 值进行运算。

填充

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，并且填充必须进行，即使其位长对 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：

1) 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。

2) 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（单位为Bit），如果二 进制表示的填充前信息长度超过 64 位，则取低 64 位。

经过这两步的处理，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。

初始化变量

初始的 128 位值为初试链接变量，这些参数用于第一轮的运算，以大端字节序来表示，他们分别为： A = 0x01234567，B = 0x89ABCDEF，C = 0xFEDCBA98，D = 0x76543210。

（每一个变量给出的数值是高字节存于内存低地址，低字节存于内存高地址，即大端字节序。在程序中变量 A、B、C、D 的值分别为0x67452301，0xEFCDAB89，0x98BADCFE，0x10325476）

处理分组数据

每一分组的算法流程如下：

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，即 A = a， B = b， C = c， D = d。

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。

输出

最后的输出是 a、b、c 和 d 的级联。

代码

这里提供一个 Java 版本的实现，不过需要说明的一点是，这个 Java 实现对于英文的 MD5 是没有问题的，但对于中文会有点问题，因此，推荐只作为学习为目的来参考。如果是项目中的生产需要，请选择 jdk 中自带的 MD5 加密函数。

public class MD5 {
/**
* 单例
*/
private static MD5 instance; /**
* 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;
private int Btemp;
private int Ctemp;
private int 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
}; /**
* 私有构造函数
*/
private MD5() { } /**
* 单例模式
* @return
*/
public static MD5 getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new MD5();
}
return instance;
} /**
* 初始化函数
*/
private void init() {
Atemp = A;
Btemp = B;
Ctemp = C;
Dtemp = D;
} /**
* 移动一定位数
* @param a
* @param s
* @return
*/
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
* @param M
*/
private void mainLoop(int[] M) {
int F;
int 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;
Btemp += b;
Ctemp += c;
Dtemp += d;
} /**
* 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
* @param str
* @return
*/
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++) {
// 全部初始化为0
strByte[i] = 0;
} int j;
for (j = 0; j < str.length(); j++) {
strByte[j >> 2] |= str.charAt(j) << ((j % 4) * 8); // 一个整数存储四个字节，小端序
}
strByte[j >> 2] |= 0x80 << ((j % 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
* @param source 原始字符串
* @return
*/
public String getMD5(String source) {
// 初始化
init();
int[] strByte = add(source);
for (int i = 0; i < strByte.length / 16; i += 16) {
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
* @param a 整数
* @return
*/
private String changeHex(int a) {
String str="";
String tmp = "";
for(int i=0;i<4;i++) {
tmp = Integer.toHexString(((a >> i * 8) % (1 << 8)) & 0xff);
if (tmp.length() < 2) {
tmp = "0" + tmp;
}
str += tmp;
}
return str;
} /**
* 测试方法
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
String str = MD5.getInstance().getMD5("");
String str1 = MD5.getInstance().getMD5("123");
System.out.println(str);
System.out.println("d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e");
System.out.println(str1);
System.out.println("202cb962ac59075b964b07152d234b70");
}
}