報文摘要算法MD5的分析與改進(jìn)

汪勛亮++趙春霞++郭劍輝

摘要：MD5算法在數(shù)據(jù)加密方面有著廣泛的應(yīng)用，但是它無法抵御查字典攻擊和差分等攻擊。為此本文介紹了報文摘要算法MD5和Base64算法，以及在兩種算法的基礎(chǔ)上提出了MD5的改進(jìn)算法，以應(yīng)對以上被攻擊的缺陷。

關(guān)鍵詞：報文摘要算法 Hash函數(shù) Base64算法 改進(jìn)算法 字典攻擊

中圖分類號：TP393.08 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0117-03

1 概述

隨著信息化的高速發(fā)展，人們對信息安全的需求接踵而至。我們經(jīng)常需要一種措施來保護(hù)我們的數(shù)據(jù)，防止被一些懷有不良用心的人所看到或者破壞。人才競爭、市場競爭、金融危機(jī)、敵特機(jī)構(gòu)等都給企事業(yè)單位的發(fā)展帶來巨大風(fēng)險，內(nèi)部竊密、黑客攻擊、無意識泄密等竊密手段成為了人與人之間、企業(yè)與企業(yè)之間、國與國之間的安全隱患。因此，在客觀上就需要一種強(qiáng)有力的安全措施來保護(hù)機(jī)密數(shù)據(jù)不被竊取或篡改。解決這個問題的方式就是通過數(shù)據(jù)加密。進(jìn)幾年來各大知名網(wǎng)站相繼爆出數(shù)據(jù)庫密碼被黑，造成上千萬用戶的用戶密碼丟失，由于大部分用戶的很多網(wǎng)站的賬號密碼由此帶來的危害是不可預(yù)測的。所以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密就顯得非常必要。

1991年，Rivest開發(fā)出技術(shù)上更為趨近成熟的md5算法。它在MD4的基礎(chǔ)上增加了"安全-帶子"（safety-belts）的概念。雖然MD5比MD4復(fù)雜度大一些，但卻更為安全。這個算法很明顯的由四個和MD4設(shè)計有少許不同的步驟組成。在MD5算法中，信息-摘要的大小和填充的必要條件與MD4完全相同。Den boer和Bosselaers曾發(fā)現(xiàn)MD5算法中的假沖突（pseudo-collisions），但除此之外就沒有其他被發(fā)現(xiàn)的加密后結(jié)果了。

普遍認(rèn)為MD5是很安全，因?yàn)楸┝ζ平獾臅r間是一般人無法接受的。實(shí)際上如果把用戶的密碼MD5處理后再存儲到數(shù)據(jù)庫，其實(shí)是很不安全的。因?yàn)橛脩舻拿艽a是比較短的，而且很多用戶的密碼都使用生日，手機(jī)號碼，身份證號碼，電話號碼等等?；蛘呤褂贸Ｓ玫囊恍┘臄?shù)字，或者某個英文單詞。如果把常用的密碼先MD5處理，把數(shù)據(jù)存儲起來，然后再跟你的MD5結(jié)果匹配，這時就有可能得到明文。

2 MD5算法和Base64算法原理

MD5算法過程：

MD5算法可以簡要的敘述為：MD5是以512位分組來進(jìn)行處理輸入的信息，而且每一個分組同時又被劃分成16個32位的子分組，經(jīng)過一系列的處理后，它的輸出同時由四個32位分組進(jìn)行組成，然后將這四個32位分組進(jìn)行級聯(lián)后將生成一個128位的散列值。

（1）填充：如果輸入信息的長度（bit）對512求余后得到結(jié)果不等于448，那么就需要填充使得對512求余的結(jié)果為448。填充的辦法是填充一個1和n個0。填充結(jié)束后，信息的長度就變成了N*512+448（bit）。

（2）記錄信息的長度：用64位大小來存儲填充前信息的長度。把這64位加在第一步所計算結(jié)果的后面，這樣信息的長度大小就變成了N*512+448+64=（N+1）*512位。

（3）裝入標(biāo)準(zhǔn)的幻數(shù)（四個整數(shù)）：標(biāo)準(zhǔn)的幻數(shù)（物理順序）是（A=（01234567）16，B=（89ABCDEF）16，C=（FEDCBA98）16，D=（76543210）16）。如果在程序中定義應(yīng)該是（A=0X67452301L，B=0XEFCDAB89L，C=0X98BADCFEL，D=0X10325476L）。

（4）四輪循環(huán)運(yùn)算：循環(huán)的次數(shù)是分組的個數(shù)（N+1）：

1）將每一512字節(jié)細(xì)分成16個小組，每個小組64位（8個字節(jié)）；

2）先認(rèn)識四個線性函數(shù)（&是與，|是或，～是非，^是異或）：

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））

3）設(shè)Mj表示消息的第j個子分組（從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）<<

4）四輪運(yùn)算；

5）每輪循環(huán)后，將A，B，C，D分別加上a，b，c，d，然后進(jìn)入下一循環(huán)。

Base64算法過程[5]：

根據(jù)Base64編碼的原理，先將輸入信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制流，然后每次取出其中的6位，與標(biāo)準(zhǔn)編碼表對照，找到相應(yīng)的ASCI字符，最后將取出的字符轉(zhuǎn)化為輸出即可得編碼流。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）取編碼表值方法。

將字符轉(zhuǎn)化為6位二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

1）從標(biāo)準(zhǔn)編碼表的第一個字符開始；

2）如果要查找的字符和標(biāo)準(zhǔn)編碼表的當(dāng)前字符相等，則返回 字符所在的位置，作為返回數(shù)據(jù)流，退出循環(huán)；否則，取標(biāo)準(zhǔn)編碼表中的下一個字符；

3）重復(fù)第"重復(fù)第2步驟，直到找到這樣的字符或到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)編碼表的尾部；

4）如果未找到，則返回錯誤；否則返回該字符在標(biāo)準(zhǔn)編碼表位置，輸出該數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)流。

（2）Base64編碼方法。

將取編碼表值方法得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為 Base64 編碼流。

1）分配要轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流所需位空間，并將該二進(jìn)制數(shù)據(jù)流裝入到位空間內(nèi)；

2）取出其中的6位，并將6位轉(zhuǎn)化成整型，得出整型數(shù)值n；

3）在標(biāo)準(zhǔn)編碼表中，找到該整型數(shù)值n所對應(yīng)的字符，即Table[n]；

4）取出該字符，作為輸出Base64編碼流；

5）重復(fù)第（2）步驟，直到所有的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流被取空；

6）返回編碼的Base64數(shù)據(jù)流。

（3）Base64解碼方法：

將得到的Base64編碼流轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

1）取出Base64編碼流的一個字符；

2）將這字符通過取編碼表值，轉(zhuǎn)化成6位二進(jìn)制數(shù)據(jù)流；

3）重復(fù)第"重復(fù)第2步驟，直到所有的Base64編碼流被取空；

4）返回解碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

3 改進(jìn)算法描述

目前對于網(wǎng)站系統(tǒng)或者信息管理系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)的MD5算法的應(yīng)用主要是針對于用戶的口令進(jìn)行加密處理。一般情況下，在用戶的密碼復(fù)雜度不足或者是一般時，會有多種方法對其加密后的密碼進(jìn)行破解的。從以下幾個方面對MD5算法進(jìn)行改進(jìn)：

（1）對已經(jīng)進(jìn)行MD5加密后的密文進(jìn)行打亂重新排列，是的破解者無法重得到的密碼直接破解密碼；得到產(chǎn)生結(jié)果為32位的密文時對32拆封4組，每組8位，然后對這4組進(jìn)行重排或者每組組內(nèi)進(jìn)行重排。

（2）對已經(jīng)進(jìn)行MD5加密后的密文進(jìn)行二次加密處理；當(dāng)?shù)玫組D5密文的時候在結(jié)合Base64的改進(jìn)算法[6]對此密文進(jìn)行二次加密。

（3）對每次MD5加密后得到不同的動態(tài)MD5密文；對得到的MD5密文中間不同的位置插入當(dāng)前加密的系統(tǒng)時間的Base64加密密文，從而迷惑解密者。

綜合以上幾個方面的改進(jìn)思想，改進(jìn)的算法步驟如下：

（1）首先對明文進(jìn)行MD5加密，如明文為：hello；加密結(jié)果和通過在線查詢結(jié)果如圖1、圖2。

可以看出復(fù)雜度不高的密碼經(jīng)過md5加密是可以通過在線的進(jìn)行破解，我們把md5加密的結(jié)果分割成四部分，分別為：5d41402a、bc4b2a76、b9719d91、1017c592。

（2）生成當(dāng)前的系統(tǒng)時間，并對系統(tǒng)的時間用改進(jìn)后的Base64算法進(jìn)行加密，如圖3所示。

然后去除最后的空白補(bǔ)填在分成兩組：MTAtMDgxM、zowM zo1OQ。

（3）對步驟（1）的分組進(jìn)行重排得到1017c592bc4b2a765d4 1402ab9719d91，在對重排后的密文進(jìn)行二次Base64加密得到：MTAxN2M1OTJiYzRiMmE3NjVkNDE0MDJhYjk3MTlkOTE=。

（4）對步驟（3）得到的二次加密密文進(jìn)行分組：MTAxN2M1OTJ、iYzRiMmE3Nj、VkNDE0MDJhY、jk3MTlkOTE=，然后把步驟（2）生成的Base64密文分組插入其中得到最終的密文：MTAxN2M1O TJMTAtMDgxMiYzRiMmE3NjzowMzo1OQVkNDE0MDJhYjk3MTlkOTE=

（5）在自身系統(tǒng)登錄驗(yàn)證的時候要經(jīng)過去除動態(tài)干擾的那部分密文才可以進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)語

由于現(xiàn)在的破解MD5解密的網(wǎng)站是對大量明文進(jìn)行加密然后把相應(yīng)的明文-密碼記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中，然后直接通過查詢密文就可以直接獲取明文密碼，所以普通密碼的MD5的破解是完全可以實(shí)現(xiàn)的。本文研究了一個典型的單向散列算法MD5，并在此算法和Base64的改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、使得加密后的密文更加復(fù)雜，不在可能通過簡單的解密網(wǎng)站進(jìn)行破解，系統(tǒng)自身的登陸驗(yàn)證也需要通過一定的規(guī)則生成密文后在經(jīng)過一定的處理去除動態(tài)干擾的部分密文才能進(jìn)行驗(yàn)證。所以本文提示的MD5改進(jìn)算法大大提高了原算法的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]RIVEST R.The MD5 Message-Digest Algorithm[S].RFC 1321.MIT Laboratory for Computer Science and RSA DATA Security，Inc.April 1992.

[2]FREED N .RFC2045，Multipurpose Internet mail extensions[S/OL].[2011-12-01].http：//rfc.net/rfc2045.Html.

[3]周榮華.散列函數(shù)密碼分析的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006：51-54.

[4]吳建軍，柏傳慧.使用MD5保護(hù)Web應(yīng)用安全.計算機(jī)安全，2003（10）：45-48.

[5]韓宇貞，朱華生.基于Base64編碼的數(shù)據(jù)加密技術(shù).南昌水專學(xué)報，2002（12）：39-40.

[6]姚峰.Java平臺中Base64編碼/解碼算法的改進(jìn).計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008（12）：164-165.

[7]柏銀，李志蜀，朱興東.MD5算法及其在遠(yuǎn)程身份認(rèn)證中的應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，43（2）：205-309.endprint

1）分配要轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流所需位空間，并將該二進(jìn)制數(shù)據(jù)流裝入到位空間內(nèi)；

2）取出其中的6位，并將6位轉(zhuǎn)化成整型，得出整型數(shù)值n；

3）在標(biāo)準(zhǔn)編碼表中，找到該整型數(shù)值n所對應(yīng)的字符，即Table[n]；

4）取出該字符，作為輸出Base64編碼流；

5）重復(fù)第（2）步驟，直到所有的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流被取空；

6）返回編碼的Base64數(shù)據(jù)流。

（3）Base64解碼方法：

將得到的Base64編碼流轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

1）取出Base64編碼流的一個字符；

2）將這字符通過取編碼表值，轉(zhuǎn)化成6位二進(jìn)制數(shù)據(jù)流；

3）重復(fù)第"重復(fù)第2步驟，直到所有的Base64編碼流被取空；

4）返回解碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

3 改進(jìn)算法描述

目前對于網(wǎng)站系統(tǒng)或者信息管理系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)的MD5算法的應(yīng)用主要是針對于用戶的口令進(jìn)行加密處理。一般情況下，在用戶的密碼復(fù)雜度不足或者是一般時，會有多種方法對其加密后的密碼進(jìn)行破解的。從以下幾個方面對MD5算法進(jìn)行改進(jìn)：

（1）對已經(jīng)進(jìn)行MD5加密后的密文進(jìn)行打亂重新排列，是的破解者無法重得到的密碼直接破解密碼；得到產(chǎn)生結(jié)果為32位的密文時對32拆封4組，每組8位，然后對這4組進(jìn)行重排或者每組組內(nèi)進(jìn)行重排。

（2）對已經(jīng)進(jìn)行MD5加密后的密文進(jìn)行二次加密處理；當(dāng)?shù)玫組D5密文的時候在結(jié)合Base64的改進(jìn)算法[6]對此密文進(jìn)行二次加密。

（3）對每次MD5加密后得到不同的動態(tài)MD5密文；對得到的MD5密文中間不同的位置插入當(dāng)前加密的系統(tǒng)時間的Base64加密密文，從而迷惑解密者。

綜合以上幾個方面的改進(jìn)思想，改進(jìn)的算法步驟如下：

（1）首先對明文進(jìn)行MD5加密，如明文為：hello；加密結(jié)果和通過在線查詢結(jié)果如圖1、圖2。

可以看出復(fù)雜度不高的密碼經(jīng)過md5加密是可以通過在線的進(jìn)行破解，我們把md5加密的結(jié)果分割成四部分，分別為：5d41402a、bc4b2a76、b9719d91、1017c592。

（2）生成當(dāng)前的系統(tǒng)時間，并對系統(tǒng)的時間用改進(jìn)后的Base64算法進(jìn)行加密，如圖3所示。

然后去除最后的空白補(bǔ)填在分成兩組：MTAtMDgxM、zowM zo1OQ。

（3）對步驟（1）的分組進(jìn)行重排得到1017c592bc4b2a765d4 1402ab9719d91，在對重排后的密文進(jìn)行二次Base64加密得到：MTAxN2M1OTJiYzRiMmE3NjVkNDE0MDJhYjk3MTlkOTE=。

（4）對步驟（3）得到的二次加密密文進(jìn)行分組：MTAxN2M1OTJ、iYzRiMmE3Nj、VkNDE0MDJhY、jk3MTlkOTE=，然后把步驟（2）生成的Base64密文分組插入其中得到最終的密文：MTAxN2M1O TJMTAtMDgxMiYzRiMmE3NjzowMzo1OQVkNDE0MDJhYjk3MTlkOTE=

（5）在自身系統(tǒng)登錄驗(yàn)證的時候要經(jīng)過去除動態(tài)干擾的那部分密文才可以進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)語

由于現(xiàn)在的破解MD5解密的網(wǎng)站是對大量明文進(jìn)行加密然后把相應(yīng)的明文-密碼記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中，然后直接通過查詢密文就可以直接獲取明文密碼，所以普通密碼的MD5的破解是完全可以實(shí)現(xiàn)的。本文研究了一個典型的單向散列算法MD5，并在此算法和Base64的改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、使得加密后的密文更加復(fù)雜，不在可能通過簡單的解密網(wǎng)站進(jìn)行破解，系統(tǒng)自身的登陸驗(yàn)證也需要通過一定的規(guī)則生成密文后在經(jīng)過一定的處理去除動態(tài)干擾的部分密文才能進(jìn)行驗(yàn)證。所以本文提示的MD5改進(jìn)算法大大提高了原算法的安全性。

參考文獻(xiàn)

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[2]FREED N .RFC2045，Multipurpose Internet mail extensions[S/OL].[2011-12-01].http：//rfc.net/rfc2045.Html.

[3]周榮華.散列函數(shù)密碼分析的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006：51-54.

[4]吳建軍，柏傳慧.使用MD5保護(hù)Web應(yīng)用安全.計算機(jī)安全，2003（10）：45-48.

[5]韓宇貞，朱華生.基于Base64編碼的數(shù)據(jù)加密技術(shù).南昌水專學(xué)報，2002（12）：39-40.

[6]姚峰.Java平臺中Base64編碼/解碼算法的改進(jìn).計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008（12）：164-165.

[7]柏銀，李志蜀，朱興東.MD5算法及其在遠(yuǎn)程身份認(rèn)證中的應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，43（2）：205-309.endprint

1）分配要轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流所需位空間，并將該二進(jìn)制數(shù)據(jù)流裝入到位空間內(nèi)；

2）取出其中的6位，并將6位轉(zhuǎn)化成整型，得出整型數(shù)值n；

3）在標(biāo)準(zhǔn)編碼表中，找到該整型數(shù)值n所對應(yīng)的字符，即Table[n]；

4）取出該字符，作為輸出Base64編碼流；

5）重復(fù)第（2）步驟，直到所有的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流被取空；

6）返回編碼的Base64數(shù)據(jù)流。

（3）Base64解碼方法：

將得到的Base64編碼流轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

1）取出Base64編碼流的一個字符；

2）將這字符通過取編碼表值，轉(zhuǎn)化成6位二進(jìn)制數(shù)據(jù)流；

3）重復(fù)第"重復(fù)第2步驟，直到所有的Base64編碼流被取空；

4）返回解碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

3 改進(jìn)算法描述

目前對于網(wǎng)站系統(tǒng)或者信息管理系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)的MD5算法的應(yīng)用主要是針對于用戶的口令進(jìn)行加密處理。一般情況下，在用戶的密碼復(fù)雜度不足或者是一般時，會有多種方法對其加密后的密碼進(jìn)行破解的。從以下幾個方面對MD5算法進(jìn)行改進(jìn)：

（1）對已經(jīng)進(jìn)行MD5加密后的密文進(jìn)行打亂重新排列，是的破解者無法重得到的密碼直接破解密碼；得到產(chǎn)生結(jié)果為32位的密文時對32拆封4組，每組8位，然后對這4組進(jìn)行重排或者每組組內(nèi)進(jìn)行重排。

（2）對已經(jīng)進(jìn)行MD5加密后的密文進(jìn)行二次加密處理；當(dāng)?shù)玫組D5密文的時候在結(jié)合Base64的改進(jìn)算法[6]對此密文進(jìn)行二次加密。

（3）對每次MD5加密后得到不同的動態(tài)MD5密文；對得到的MD5密文中間不同的位置插入當(dāng)前加密的系統(tǒng)時間的Base64加密密文，從而迷惑解密者。

綜合以上幾個方面的改進(jìn)思想，改進(jìn)的算法步驟如下：

（1）首先對明文進(jìn)行MD5加密，如明文為：hello；加密結(jié)果和通過在線查詢結(jié)果如圖1、圖2。

可以看出復(fù)雜度不高的密碼經(jīng)過md5加密是可以通過在線的進(jìn)行破解，我們把md5加密的結(jié)果分割成四部分，分別為：5d41402a、bc4b2a76、b9719d91、1017c592。

（2）生成當(dāng)前的系統(tǒng)時間，并對系統(tǒng)的時間用改進(jìn)后的Base64算法進(jìn)行加密，如圖3所示。

然后去除最后的空白補(bǔ)填在分成兩組：MTAtMDgxM、zowM zo1OQ。

（3）對步驟（1）的分組進(jìn)行重排得到1017c592bc4b2a765d4 1402ab9719d91，在對重排后的密文進(jìn)行二次Base64加密得到：MTAxN2M1OTJiYzRiMmE3NjVkNDE0MDJhYjk3MTlkOTE=。

（4）對步驟（3）得到的二次加密密文進(jìn)行分組：MTAxN2M1OTJ、iYzRiMmE3Nj、VkNDE0MDJhY、jk3MTlkOTE=，然后把步驟（2）生成的Base64密文分組插入其中得到最終的密文：MTAxN2M1O TJMTAtMDgxMiYzRiMmE3NjzowMzo1OQVkNDE0MDJhYjk3MTlkOTE=

（5）在自身系統(tǒng)登錄驗(yàn)證的時候要經(jīng)過去除動態(tài)干擾的那部分密文才可以進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)語

由于現(xiàn)在的破解MD5解密的網(wǎng)站是對大量明文進(jìn)行加密然后把相應(yīng)的明文-密碼記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中，然后直接通過查詢密文就可以直接獲取明文密碼，所以普通密碼的MD5的破解是完全可以實(shí)現(xiàn)的。本文研究了一個典型的單向散列算法MD5，并在此算法和Base64的改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、使得加密后的密文更加復(fù)雜，不在可能通過簡單的解密網(wǎng)站進(jìn)行破解，系統(tǒng)自身的登陸驗(yàn)證也需要通過一定的規(guī)則生成密文后在經(jīng)過一定的處理去除動態(tài)干擾的部分密文才能進(jìn)行驗(yàn)證。所以本文提示的MD5改進(jìn)算法大大提高了原算法的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]RIVEST R.The MD5 Message-Digest Algorithm[S].RFC 1321.MIT Laboratory for Computer Science and RSA DATA Security，Inc.April 1992.

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