MD5算法的JAVA实现

一、算法原理概述

MD5 即Message-Digest Algorithm 5 (信息-摘要算法5)

MD4 (1990)、MD5(1992, RFC 1321) 由Ron Rivest发明，是广泛使用的Hash 算法，用于确保信息传输的完整性和一致性。
MD5 使用little-endian(小端模式)，输入任意不定长度信息，以 512-bit 进行分组，生成四个32-bit 数据，最后联合输出固定 128-bit 的信息摘要。
MD5 算法的基本过程为：填充、分块、缓冲区初始化、循环压缩、得出结果。
MD5 不是足够安全的。
- Hans Dobbertin在1996年找到了两个不同的512-bit 块,它们在MD5 计算下产生相同的hash 值。
- 至今还没有真正找到两个不同的消息，它们的MD5 的hash 值相等。

基本流程

1543732734508

1543733052946

填充padding

在长度为Kbits 的原始消息数据尾部填充长度为Pbits 的标识 100…0，1< P < 512 (即至少要填充1个bit)，使得填充后的消息位数为：K + P=448 (mod 512).
- 注意到当K=448 (mod 512) 时，需要P= 512.
- 再向上述填充好的消息尾部附加K 值的低64位(即K mod 264)，最后得到一个长度位数为K + P+ 64= 0 (mod 512) 的消息。

分块

把填充后的消息结果分割为L个512-bit 分组：Y0, Y1, …, YL-1。
分组结果也可表示成N个32-bit 字M0, M1, …, MN-1，N= Lx16。

初始化

初始化一个128-bit 的MD 缓冲区，记为CVq，表示成4个32-bit 寄存器(A, B, C,D)；CV0= IV。迭代在MD 缓冲区进行，最后一步的128-bit 输出即为算法结果。

压缩函数

1543733261546

每轮循环中的一次迭代运算逻辑

对A迭代：a <— b+ ((a+ g(b, c, d) + X[k] + T[i]) <<<s)
缓冲区(A, B, C, D) 作循环轮换： (B, C, D, A) <—(A, B, C, D)

说明：

a, b, c, d: MD 缓冲区(A, B, C, D) 的当前值。

g: 轮函数(F, G, H, I中的一个)。

<<<s: 将32位输入循环左移(CLS) s位。

X[k] : 当前处理消息分组的第k个(k= 0..15) 32位字，即 M(qx16+k)。

T[i] : T表的第i个元素，32位字；T表总共有64个元素，也称为加法常数。

: 模232 加法。

二、总体结构

public class MD5 {
	//一系列常量数值
    
    //开始使用MD5加密
    private String start(String message){
        //分块
        
        //填充
        
        //即小于448bit的情况，先填充100...0再填充K值的低64位
        //此时只会新增一个分组
        if(rest <= 56){
            //填充100...0
            //填充K值低64位
            //处理分组
             H(divide(inputBytes, i*64));
        //即大于448bit的情况，先填充100...0再填充K值的低64位
        //此时会新增两个分组
        }else{
            //填充10000000
            //填充00000000
            //填充低64位
            //处理第一个尾部分组
            H(divide(inputBytes, i*64));
            //处理第二个尾部分组
             H(divide(inputBytes, i*64));
        }
        //将Hash值转换成十六进制的字符串
        //小端方式!
    }
    
    //从inputBytes的index开始取512位，作为新的512bit的分组
    private static long[] divide(byte[] inputBytes,int start){
    	//存储一整个分组,就是512bit,数组里每个是32bit，就是4字节，为了消除符号位的影响，所以使用long
        
    }
    
    // groups[] 中每一个分组512位（64字节）
    // MD5压缩函数
    private void H(long[] groups) {
    	//缓冲区（寄存器）数组
        //四轮循环
        for(int n = 0; n < 4; n++) {
        	//16轮迭代
        	for(int i = 0; i < 16; i++) {
            }
        }
        //加入之前计算的结果
        //防止溢出
    }
    public static void main(String []args){
        MD5 md=new MD5();
        String message = "helloMD5";
        System.out.println("MD5-Algorithm:\n\nOrigin Message: " + message);
        System.out.println("Result Message: " + md.start(message));
        System.out.println("Result Message(UpperCase): " + md.resultMessage.toUpperCase());
        //F0F99260B5A02508C71F6D81C15E9A44
        //3ED9E5F6855DBCDBCD95AC6C4FE0C0A5
    }
}

三、模块分解

填充

填充时有两种情况

如果去掉整数个512bit的小组，剩下的位数不超过448bit，那样就可以先填充100…00（如果正好是448bit就不用填充了），再填充用K值的低64位64bit，那样的话就只是新增了一个小组
如果去掉整数个512bit的小组，剩下的位数超过了448bit，那样不够填充64bit，所以需要填充100..00到512bit，构成一个小组；然后再在第二个小组填充448bit个0，最后填充K值的低64位bit，这样就会新增两个小组

//填充
        int rest = byteLen % 64;
        //即将填充的一个分组
        byte [] paddingBytes=new byte[64];
        //原来的尾部数据
        for(int i=0;i<rest;i++)
        	paddingBytes[i]=inputBytes[byteLen-rest+i];
        //即小于448bit的情况，先填充100...0再填充K值的低64位
        //此时只会新增一个分组
        if(rest <= 56){
            //填充100...0
            if(rest<56){
            	//填充10000000
            	paddingBytes[rest]=(byte)(1<<7);
            	//填充00000000
                for(int i=1;i<56-rest;i++)
                	paddingBytes[rest+i]=0;
            }
            //填充K值低64位
            for(int i=0;i<8;i++){
            	paddingBytes[56+i]=(byte)(K&0xFFL);
                K=K>>8;
            }
            //处理分组
            H(divide(paddingBytes,0));
        //即大于448bit的情况，先填充100...0再填充K值的低64位
        //此时会新增两个分组
        }else{
            //填充10000000
            paddingBytes[rest]=(byte)(1<<7);
            //填充00000000
            for(int i=rest+1;i<64;i++)
            	paddingBytes[i]=0;
            //处理第一个尾部分组
            H(divide(paddingBytes,0));
            
            //填充00000000
            for(int i=0;i<56;i++)
            	paddingBytes[i]=0;

            //填充低64位
            for(int i=0;i<8;i++){
            	//这里很关键，使用小端方式，即Byte数组先存储len的低位数据，然后右移len
            	paddingBytes[56+i]=(byte)(K&0xFFL);
                K=K>>8;
            }
            //处理第二个尾部分组
            H(divide(paddingBytes,0));
        }

分块

这里调用了divide分组函数，将完整小组分成个数为16，单个元素为32bit的数组

再直接调用H压缩函数，进行四轮循环和16次迭代

//分块
//完整小组(512bit)(64byte)的个数
        int groupCount = byteLen/64;
        for(int i = 0;i < groupCount;i++){
        	//每次取512bit
            //处理一个分组
            H(divide(inputBytes, i*64));
        }

分组函数

这个函数传入的参数是一个字节数组，以及一个代表从哪里开始截取的int值

效果就是将这个字节数组从start开始的64个字节组成一个

元素个数为16，单个元素为32bit的数组

采用的方法是每次取四个字节，采用小端的方式拼接成一个long型的整数

因为int在某些情况下是4个字节，所以就是正好32bit，但是带符号，就影响后面数据的运算

//从inputBytes的index开始取512位，作为新的512bit的分组
    private static long[] divide(byte[] inputBytes,int start){
    	//存储一整个分组,就是512bit,数组里每个是32bit，就是4字节，为了消除符号位的影响，所以使用long
        long [] group=new long[16];
        for(int i=0;i<16;i++){
        	//每个32bit由4个字节拼接而来
        	//小端的从byte数组到bit恢复方法
            group[i]=byte2unsign(inputBytes[4*i+start])|
                (byte2unsign(inputBytes[4*i+1+start]))<<8|
                (byte2unsign(inputBytes[4*i+2+start]))<<16|
                (byte2unsign(inputBytes[4*i+3+start]))<<24;
        }
        return group;
    }

MD5压缩函数

用了两层循环

第一层表示四轮循环

第二层表示16轮迭代

中间按照缓冲区运算的要求处理数据

这里直接处理的是result数组，也就是真实的缓冲区，所以在开始暂存了它们当时的值为a,b,c,d

运算完毕后要加上这些值

运算过程中以及运算结束会有一些防溢出的操作

（有时候没有这个就会出错）

// groups[] 中每一个分组512位（64字节）
    // MD5压缩函数
    private void H(long[] groups) {
    	//缓冲区（寄存器）数组
        long a = result[0], b = result[1], c = result[2], d = result[3];
        //四轮循环
        for(int n = 0; n < 4; n++) {
        	//16轮迭代
        	for(int i = 0; i < 16; i++) {
            	result[0] += (g(n, result[1], result[2], result[3])&0xFFFFFFFFL) + groups[k[n][i]] + T[n][i];
                result[0] = result[1] + ((result[0]&0xFFFFFFFFL)<< S[n][i % 4] | ((result[0]&0xFFFFFFFFL) >>> (32 - S[n][i % 4])));
                //循环轮换
                long temp = result[3];
                result[3] = result[2];
                result[2] = result[1];
                result[1] = result[0];
                result[0] = temp;
            }
        }
        //加入之前计算的结果
        result[0] += a;
        result[1] += b;
        result[2] += c;
        result[3] += d;
        //防止溢出
        for(int n = 0; n < 4 ; n++) {
        	result[n] &=0xFFFFFFFFL;
        }
    }

最后结果转换为字符串

之前得到的结果就是result数组，四个元素，每个元素是一个32bit的数据

现在要把他们转换为字符串

但是需要小端的处理方式

即long的低位作为字符串的高位

每次以一个字节处理，32bit四个字节分别通过与运算和移位运算分离出来，再让long的低位在前，高位在后，得到十六进制字符串就是MD5编码的结果

//将Hash值转换成十六进制的字符串
        //小端方式!
        for(int i=0;i<4;i++){
        	resultMessage += Long.toHexString(result[i] & 0xFF) +
            		Long.toHexString((result[i] & 0xFF00) >> 8) +
            		Long.toHexString((result[i] & 0xFF0000) >> 16) +
            		Long.toHexString((result[i] & 0xFF000000) >> 24);
  
        }

四、数据结构

long []groups 存储小组

String resultMessage存储结果字符串

//四个寄存器的初始向量IV,采用小端存储
static final long A=0x67452301L
static final long B=0xefcdab89L
static final long C=0x98badcfeL
static final long D=0x10325476L

private long [] result={A,B,C,D}; 模拟存储结果的四个寄存器

static final long T[][]迭代过程中采用的近似值int(2^32 x |sin(i)|)

static final int k[][] 表示X[k]中的的k取值，决定如何使用消息分组中的字

static final int S[][] 各次迭代中采用的做循环移位的s值

private static long g(int i, long b, long c, long d) 4轮循环中使用的生成函数(轮函数)g

五、运行结果

输入原始消息：helloMD5

得到编码结果为：3ED9E5F6855DBCDBCD95AC6C4FE0C0A5

用站长之家的工具验证，结果正确

六、源代码

public class MD5 {
	//存储小组
    long []groups = null;
    //存储结果
    String resultMessage="";
	
    //四个寄存器的初始向量IV,采用小端存储
    static final long A=0x67452301L;
    static final long B=0xefcdab89L;
    static final long C=0x98badcfeL;
    static final long D=0x10325476L;
    
    //java不支持无符号的基本数据(unsigned),所以选用long数据类型
    private long [] result={A,B,C,D};
    
    static final long T[][] = {
    		{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}};
    //表示X[k]中的的k取值，决定如何使用消息分组中的字
    static final int k[][] = {
    		{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10,11,12,13,14,15},
    		{1, 6,11, 0, 5,10,15, 4, 9,14, 3, 8,13, 2, 7,12},
    		{5, 8,11,14, 1, 4, 7,10,13, 0, 3, 6, 9,12,15, 2},
    		{0, 7,14, 5,12, 3,10, 1, 8,15, 6,13, 4,11, 2, 9}};
    
    //各次迭代中采用的做循环移位的s值
    static final int S[][] = {
    		{7,12,17,22},
    		{5,9,14,20},
    		{4,11,16,23},
    		{6,10,15,21}};
    
    //4轮循环中使用的生成函数(轮函数)g
    private static long g(int i, long b, long c, long d) {
    	switch (i) {
		case 0:
			return (b & c) | ((~b) & d);
		case 1:
			return (b & d) | (c & (~d));
		case 2:
			return b ^ c ^ d;
		case 3:
			return c ^ (b | (~d));
		default:
			return 0;
		}
    }
    //开始使用MD5加密
    private String start(String message){
    	//转化为字节数组
        byte [] inputBytes=message.getBytes();
        //6A 61 6E 6b 69 6e 67
        //获取字节数组的长度
        int byteLen = inputBytes.length;
      //得到K值（以bit作单位的message长度）
        long K = (long)(byteLen<<3);
        //完整小组(512bit)(64byte)的个数
        int groupCount = byteLen/64;
        
        //分块
        for(int i = 0;i < groupCount;i++){
        	//每次取512bit
            //处理一个分组
            H(divide(inputBytes, i*64));
        }
        
        //填充
        int rest = byteLen % 64;
        //即将填充的一个分组
        byte [] paddingBytes=new byte[64];
        //原来的尾部数据
        for(int i=0;i<rest;i++)
        	paddingBytes[i]=inputBytes[byteLen-rest+i];
        //即小于448bit的情况，先填充100...0再填充K值的低64位
        //此时只会新增一个分组
        if(rest <= 56){
            //填充100...0
            if(rest<56){
            	//填充10000000
            	paddingBytes[rest]=(byte)(1<<7);
            	//填充00000000
                for(int i=1;i<56-rest;i++)
                	paddingBytes[rest+i]=0;
            }
            //填充K值低64位
            for(int i=0;i<8;i++){
            	paddingBytes[56+i]=(byte)(K&0xFFL);
                K=K>>8;
            }
            //处理分组
            H(divide(paddingBytes,0));
        //即大于448bit的情况，先填充100...0再填充K值的低64位
        //此时会新增两个分组
        }else{
            //填充10000000
            paddingBytes[rest]=(byte)(1<<7);
            //填充00000000
            for(int i=rest+1;i<64;i++)
            	paddingBytes[i]=0;
            //处理第一个尾部分组
            H(divide(paddingBytes,0));
            
            //填充00000000
            for(int i=0;i<56;i++)
            	paddingBytes[i]=0;

            //填充低64位
            for(int i=0;i<8;i++){
            	//这里很关键，使用小端方式，即Byte数组先存储len的低位数据，然后右移len
            	paddingBytes[56+i]=(byte)(K&0xFFL);
                K=K>>8;
            }
            //处理第二个尾部分组
            H(divide(paddingBytes,0));
        }
        //将Hash值转换成十六进制的字符串
        //小端方式!
        for(int i=0;i<4;i++){
        	resultMessage += Long.toHexString(result[i] & 0xFF) +
            		Long.toHexString((result[i] & 0xFF00) >> 8) +
            		Long.toHexString((result[i] & 0xFF0000) >> 16) +
            		Long.toHexString((result[i] & 0xFF000000) >> 24);
  
        }
        return resultMessage;
    }
    
    //从inputBytes的index开始取512位，作为新的512bit的分组
    private static long[] divide(byte[] inputBytes,int start){
    	//存储一整个分组,就是512bit,数组里每个是32bit，就是4字节，为了消除符号位的影响，所以使用long
        long [] group=new long[16];
        for(int i=0;i<16;i++){
        	//每个32bit由4个字节拼接而来
        	//小端的从byte数组到bit恢复方法
            group[i]=byte2unsign(inputBytes[4*i+start])|
                (byte2unsign(inputBytes[4*i+1+start]))<<8|
                (byte2unsign(inputBytes[4*i+2+start]))<<16|
                (byte2unsign(inputBytes[4*i+3+start]))<<24;
        }
        return group;
    }
    
    //其实byte相当于一个字节的有符号整数，这里不需要符号位，所以把符号位去掉
    public static long byte2unsign(byte b){
        return b < 0 ? b & 0x7F + 128 : b;
     }
    
    // groups[] 中每一个分组512位（64字节）
    // MD5压缩函数
    private void H(long[] groups) {
    	//缓冲区（寄存器）数组
        long a = result[0], b = result[1], c = result[2], d = result[3];
        //四轮循环
        for(int n = 0; n < 4; n++) {
        	//16轮迭代
        	for(int i = 0; i < 16; i++) {
            	result[0] += (g(n, result[1], result[2], result[3])&0xFFFFFFFFL) + groups[k[n][i]] + T[n][i];
                result[0] = result[1] + ((result[0]&0xFFFFFFFFL)<< S[n][i % 4] | ((result[0]&0xFFFFFFFFL) >>> (32 - S[n][i % 4])));
                //循环轮换
                long temp = result[3];
                result[3] = result[2];
                result[2] = result[1];
                result[1] = result[0];
                result[0] = temp;
            }
        }
        //加入之前计算的结果
        result[0] += a;
        result[1] += b;
        result[2] += c;
        result[3] += d;
        //防止溢出
        for(int n = 0; n < 4 ; n++) {
        	result[n] &=0xFFFFFFFFL;
        }
    }
    
    public static void main(String []args){
        MD5 md=new MD5();
        String message = "helloMD5";
        System.out.println("MD5-Algorithm:\n\nOrigin Message: " + message);
        System.out.println("Result Message: " + md.start(message));
        System.out.println("Result Message(UpperCase): " + md.resultMessage.toUpperCase());
        //F0F99260B5A02508C71F6D81C15E9A44
        //3ED9E5F6855DBCDBCD95AC6C4FE0C0A5
    }
}

七、参考资料

MD5算法原理

DES算法实现