淺析MD5算法的原理

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)信息安全越來越引起人們的重視。目前通常將需要存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密然后再存儲，MD5（Message-Digest algorithm 5）算法是一個不錯的選擇。MD5算法是一種用于產(chǎn)生數(shù)字簽名的單項散列算法。它的作用是讓大容量信息在用數(shù)字簽名軟件簽署私人密鑰前被“壓縮”成一種保密的格式。

關(guān)鍵詞：信息安全；MD5；加密；封裝

1引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和Internet的聯(lián)系日益增強(qiáng)，出現(xiàn)了一系列與網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的問題：如對主機(jī)的攻擊，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒈唤厝?、篡改、重發(fā)等，由此，它對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的進(jìn)一步推廣構(gòu)成了巨大威脅，因此密碼體制[1]就在這種背景下應(yīng)運而生了。存儲加密涉及大量文件、資料、新建等文檔處理，需要高效，可靠的進(jìn)行各種信息交換，同時對信息流轉(zhuǎn)的整個過程需要有效的組織和監(jiān)控。數(shù)據(jù)加密技術(shù)不僅具有保證信息機(jī)密性的信息加密功能，而且具有數(shù)字簽名、秘密分存、系統(tǒng)安全等性能。因而可以保障信息的機(jī)密性、完整性和準(zhǔn)確性，防止信息被篡改、偽造和假冒[2]。雖然目前已有很多加密技術(shù)應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但是存在加密強(qiáng)度、運算量大等缺陷，因而本文提出了一種新的加密機(jī)制—MD5加密。

2理論基礎(chǔ)

2.1單向散列函數(shù)

單向散列函數(shù)[4]也稱Hash（哈希）函數(shù)。它是現(xiàn)代密碼學(xué)的核心。散列函數(shù)一直在計算機(jī)科學(xué)中使用，散列函數(shù)就是把可變的輸入長度串轉(zhuǎn)換成固定長度輸出值（叫做散列值）的一種函數(shù)。而單向散列函數(shù)是在一個方向上工作的散列函數(shù)，從預(yù)映射的值很容易計算出它的散列值，但要使它的散列值等于一個特殊值卻很難。散列值越長則安全性越好，MD5算法就是單向散列函數(shù)產(chǎn)生128位的散列值，以下即為生成一個長散列值的方法：

1）運用單向散列函數(shù)生成一則消息的散列值。

2）將該散列值附于消息之后。

3）產(chǎn)生包含散列值和消息在內(nèi)的一連串的數(shù)值的散列值。

4）將（1）產(chǎn)生的散列值與（3）產(chǎn)生的散列值組合起來生成一個更大的散列值。

5）重復(fù)1）至3）步若干次。

2.2MD5算法的基本原理

MD5算法以512位分組來處理輸入文本，每一分組又劃分為16個32位子分組。算法的輸出由4個32位分組組成，將它們級聯(lián)形成一個128位散列值[5]。

第1步：MD5在原消息中增加填充位，目的是使原消息長度等于一個值，即比512的倍數(shù)少64位。填充后，原消息的長度為448位（比512少64），960位（比1024少64位），1472位（比1536少64位）等。

第2步：增加填充位后，就要計算機(jī)消息原長，將其加進(jìn)填充后的消息末尾。先計算消息長度，不包括填充位（即增加填充位前的長度）。這個消息原長表示為64位值，添加到加進(jìn)填充后的消息末尾。如果消息長度超過264位（即64位無法表示，因為消息太長），則只用長度的低64位，即等于計算length mod 264。

第3步：將輸入分成512位的塊。

第4步：初始化四個鏈接變量，分別稱為A，B，C，D，它們都是32位的數(shù)字，這些鏈接變量的初始十六進(jìn)制值如表1所示，低的字節(jié)在前面。

第5步：處理塊。這是個循環(huán)，對消息中的多個512位塊運行。

第5.1步：將四個鏈接變量復(fù)制到四個變量a，b，c，d中，使a=A，b=B，c=C，d=D。

這個算法將a，b，c，d組合成128位寄存器（abcd），寄存器（abcd）在實際算法運算中保存中間結(jié)果和最終結(jié)果，如圖1所示。

第5.2步：將當(dāng)前512位塊分解為16個子塊，每個子塊為32位，如圖2所示。

第5.3步：主循環(huán)有四輪，每一輪的操作都要處理一個塊中的16個子塊。每一輪的輸入如下：（a） 16個子塊；（b）變量a，b，c，d；（c）常量t。

這四輪中的第1步進(jìn)行不同處理，其他步驟是相同的。每一輪有16個輸入子塊M[0]，M[1]，…，M[15]，或表示為M[i]，其中i為1～15。每個子塊為32位。t是個常量數(shù)組，包含64個元素，每個元素為32位。我們把數(shù)組t的元素表示為t[1]，t[2]，…，t[64]，或t[i]，其中i為1～64。由于有四輪，因此每一輪用64個t值中的16個。每一輪輸出的中間和最終結(jié)果復(fù)制到寄存器abcd中：

1）首先對b， c， d作一次非線性函數(shù)運算，這個運算在四輪中不同。

2）變量a加進(jìn)第1步的輸出（即寄存器abcd）。

3）消息子塊M[i]加進(jìn)第2步的輸出（即寄存器abcd）。

4）常量t[i]加進(jìn)第3步輸出（即寄存器abcd）。

5）第4步的輸出（即寄存器abcd）循環(huán)左移s位。

6）變量b加進(jìn)第5步輸出（即寄存器abcd）。

7）第6步的輸出成為下一步的新abcd。

圖3和圖4顯示了MD5操作過程。

對于每次操作中用到的四個線性函數(shù)，即

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）），其中，&是與，|是或，～是非，^是異或。這些函數(shù)中，如果x，y和z的對應(yīng)位是獨立和均勻的，那么結(jié)果的每一位也是獨立和均勻的，函數(shù)F是按逐位方式操作；函數(shù)H是逐位奇偶操作。

3.結(jié)論

MD5是單向加密算法，加密以后信息不可以解密?？梢詫λ惴ㄗ鲞m當(dāng)?shù)男薷暮脱a(bǔ)充，以更加適合應(yīng)用需要。同時隨著企業(yè)信息和數(shù)據(jù)的巨大膨脹，以及確保數(shù)據(jù)安全的重要性與日俱增，數(shù)據(jù)的加密有著不可替代的重要性，但隨之而來的問題是效率的降低和數(shù)據(jù)管理的復(fù)雜。高效率、易管理的數(shù)據(jù)安全方案將是未來的研究方向。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊明，齊望東.密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全[M].北京：電子工業(yè)出版社，1997.

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[5]潘清芳.使用MD5加密數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計[J].第3 卷第2 期：77-143.

[6]鄭莉，董淵.C++語言程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[7]施衛(wèi)鋒， 周俊， 朱利剛.多戶住處系統(tǒng)中數(shù)據(jù)安全性控制及其實現(xiàn)[EB/OL].微機(jī)發(fā)展.

[8] 段鋼著.加密與解密（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：武佳杰（1989—），男，山西汾陽人，山西財經(jīng)大學(xué)2014（計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)）學(xué)術(shù)碩士研究生，研究方向：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。