MD5 算法在電力通信中的應(yīng)用

馮瑞玨，李軒東，楊樹豐，曾獻(xiàn)煜

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東廣州，510800）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的時(shí)一步推進(jìn)，電力系統(tǒng)之間的通信越發(fā)交互，網(wǎng)絡(luò)的開放性以及用戶多樣性，海量的數(shù)據(jù)面臨著被越權(quán)訪問。直接采用明文傳輸?shù)姆绞饺菀妆缓诳凸?，有被竊聽、篡改或偽造身份的威脅。如何提高信息保密的強(qiáng)度，控制敏感資源的訪問權(quán)限，成為急需解決的問題。為了保障數(shù)據(jù)的安全，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，要求電力通訊具備安全性高的加密方式。而采用合適可靠的加密手段是關(guān)鍵[1-2]。針對(duì)數(shù)據(jù)的保密性、完整性和身份校驗(yàn)，常采用對(duì)稱加密算法、非對(duì)稱加密算和完整性。保密性保證數(shù)據(jù)即使被獲取，仍然不能獲得有效信息，而身份驗(yàn)證針對(duì)黑客身份的偽造，完整性則防止數(shù)據(jù)不被刪除或篡改[3-5]。對(duì)于電力通信網(wǎng)絡(luò)而言，加密手段的可靠、安全、高效缺一不可，本文從數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)出發(fā)，對(duì)MD5 密碼技術(shù)在電力通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并對(duì)該算法在應(yīng)用方面的可靠性、安全性和時(shí)效性進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 MD5 算法介紹

■1.1 MD5 算法原理

MD5（Message-Digest algorithm 5）算法屬于哈希算法的一種，是一種不可逆算法，即無法通過算法得出的密文解密出原文。其作用是允許在使用數(shù)字簽名軟件簽名私鑰之前將信息“壓縮”為信息摘要。MD5 算法的原理可以簡單地理解為將預(yù)輸入的信息進(jìn)行分組，每組長度為512bit，并將每一組都按32bit 的形式分成16 個(gè)子分組，進(jìn)行一系列的處理之后，算法將輸出一個(gè)由四組32bit 子分組所組合成的128bit 散列值。具體步驟如下：

（1）填充

進(jìn)行MD5 算法加密的第一步首先是對(duì)原信息進(jìn)行填充，這樣做的目的是使其長度滿足一個(gè)必要條件，使得對(duì)512求余的結(jié)果等于448。填充的方法是在消息的末尾先填充一個(gè)1 和n 個(gè)0。

（2）記錄信息長度

用64bit 來存儲(chǔ)填充前信息長度。這64bit 加在第一步結(jié)果的后面，這樣信息長度就變?yōu)镹＊512+448+64=(N+1)＊512位。

（3）裝入標(biāo)準(zhǔn)的幻數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)的幻數(shù)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(gè)數(shù)（N+1）。

■1.2 MD5 算法用途

（1）完整性的驗(yàn)證

利用MD5 可以對(duì)信息生成信息摘要，以防止其被隨意篡改，保障信息完整一致。電力通信系統(tǒng)中，MD5 算法常跟非對(duì)稱算法配合使用，對(duì)所需要保護(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名，相當(dāng)于給數(shù)據(jù)配以唯一的“數(shù)字指紋”，任何數(shù)據(jù)的篡改都會(huì)導(dǎo)致它對(duì)應(yīng)的數(shù)字簽名的改動(dòng)。如在網(wǎng)絡(luò)上下載所需的軟件常附帶一串MD5 值，實(shí)質(zhì)作用是對(duì)我們下載的軟件進(jìn)行MD5 校驗(yàn)，以確保所下載的軟件和該網(wǎng)絡(luò)上的軟件相同。因此利用MD5 算法獲得信息摘要的方式來校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性被電力通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)庫、論壇所應(yīng)用。

（2）訪問安全認(rèn)證

電力通信系統(tǒng)的規(guī)模隨著接入用戶數(shù)量不斷增大，其結(jié)構(gòu)繁瑣復(fù)雜，類型不一，來源分散，其方案設(shè)計(jì)具備地域性差異，這給電力通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全帶來了極大的挑戰(zhàn)。如何保證只有授權(quán)人員才能合法訪問數(shù)據(jù)是當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。為了保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止一般用戶或黑客可能造成的越權(quán)操作和不當(dāng)操作，必須具備一個(gè)可靠的信息認(rèn)證系統(tǒng)。

MD5 算法廣泛應(yīng)用于各種操作系統(tǒng)上，系統(tǒng)先將用戶的初始密碼輸出使用MD5 生成信息摘要保存。當(dāng)用戶訪問某個(gè)電力網(wǎng)站時(shí)，系統(tǒng)將用戶輸入的密碼經(jīng)計(jì)算再次生成信息摘要，將該信息摘要與系統(tǒng)先前保存的信息摘要進(jìn)行對(duì)比分析，如一致，則確定為本人操作，防止了非授權(quán)用戶的錯(cuò)誤進(jìn)入，避免非法使用者對(duì)系統(tǒng)重要程序的越權(quán)操作。由于MD5 算法為不可逆算法，不設(shè)計(jì)密碼傳輸或保存，避免了黑客對(duì)密碼竊取的風(fēng)險(xiǎn)，還在一定程度上提高了破解密碼的難度，極大地提高了電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2 MD5 加密算法在電力通信中的應(yīng)用及算例分析

■2.1 MD5 算法在電力通信中保護(hù)完整性的應(yīng)用

在電力通信中文件和信息的傳輸是十分頻繁卻至關(guān)重要的，大到電力系統(tǒng)各組成之間的相互協(xié)調(diào)以保障發(fā)電供電的穩(wěn)定，小到供電系統(tǒng)上每家每戶的用電數(shù)據(jù)，這其中每一個(gè)消息文件的完整性都與整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行息息相關(guān)，某一個(gè)環(huán)節(jié)的出錯(cuò)都極有可能造成不同程度的電力事故。

MD5 算法利用較強(qiáng)的抗修改性，在對(duì)目標(biāo)文件進(jìn)行完整性檢查校驗(yàn)時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷，因此可應(yīng)用于數(shù)據(jù)完整性的有效保護(hù)。其原理是將整個(gè)消息或文件作為一個(gè)大文本，通過算法生成唯一的MD5 值，這個(gè)MD5 值就作為消息或文件的“數(shù)字指紋”，用來檢驗(yàn)接收端所接收到的與發(fā)送端是否一致。由于MD5 算法的特性，即使是一點(diǎn)細(xì)微的修改，最后所得到的MD5 值都會(huì)和原值存在巨大差異，用戶可以根據(jù)這個(gè)差異來判斷消息文件的完整性，并且因?yàn)镸D5 的長度短，差異性大，整個(gè)驗(yàn)證過程也是十分簡單迅速的。

■2.2 MD5 性能測試分析

為了驗(yàn)證MD5 的性能，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其性能進(jìn)行測試分析。將算例通過MD5 加密計(jì)算，經(jīng)多組結(jié)果對(duì)比、分析，從而驗(yàn)證算法的可靠性、安全性及時(shí)效性。

本文使用C++語言實(shí)現(xiàn)MD5 算法。

硬件環(huán)境：Intel Core i7-6700HQ 計(jì)算機(jī)。

軟件環(huán)境：Microsoft Visual Studio Community 2017，Version：4.7.02556。

將MD5 算法程序以C++語言編寫進(jìn)Microsoft Visual Studio Community 2017 軟件中，運(yùn)行該MD5 算法加密程序。本文所進(jìn)行的算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)均在該程序上進(jìn)行，它的作用是能將任意長度文本數(shù)據(jù)加密為16 進(jìn)制的32 位MD5 值，并附帶了運(yùn)算計(jì)時(shí)功能。程序界面如圖1 所示。

圖1 MD5 算法加密程序

2.2.1 MD5 算法可靠性檢驗(yàn)

算法的可靠性是其能否在實(shí)際中應(yīng)用最重要的依據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的決定性因素。在電力系統(tǒng)中每一個(gè)組成環(huán)節(jié)都需要準(zhǔn)確度極高的運(yùn)行參數(shù)，算法的不可靠所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，極有可能使某個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行輕載或過載，進(jìn)而影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的平衡。

為了驗(yàn)證MD5 算法的可靠性，設(shè)置4 個(gè)不同的初始消息作為算例，將這4 個(gè)算例逐一進(jìn)行五次MD5 運(yùn)算，通過各個(gè)算例所得出MD5 值是否都是唯一值及是否符合MD5值的形式判斷其可靠性。將每個(gè)算例輸入進(jìn)程序“明文”框內(nèi)，點(diǎn)擊“MD5 加密”執(zhí)行計(jì)算，“密文”框內(nèi)將生成對(duì)應(yīng)的MD5 值，每個(gè)算例重復(fù)得到結(jié)果如表1 所示。

表1 MD5算法的可靠性驗(yàn)證

以上算例的輸出MD5 值均為16 進(jìn)制形式，32 位的單向散列值，且通過每一個(gè)算例的5 次結(jié)果對(duì)比可以看出輸出的結(jié)果穩(wěn)定、均為一個(gè)唯一值。綜合上述仿真結(jié)果，驗(yàn)證了MD5 算法具有可靠性。

2.2.2 MD5 算法安全性檢驗(yàn)

算法的安全性是衡量該算法加密性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，算法安全性高使得被加密文件具有更高的保密性。安全性較高的加密系統(tǒng)還能防止非專業(yè)人員的越權(quán)操作和錯(cuò)誤操作，影響電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。要證明MD5 算法的安全性，就要從它的抗修改性和強(qiáng)抗碰撞性進(jìn)行驗(yàn)證。因此下面設(shè)置一條算例“obsfg-5179GAZ2066”，將該算例依次進(jìn)行增位、缺失、篡改、大小寫轉(zhuǎn)換的操作，使用程序計(jì)算原算例和修改后算例的MD5 值，把每次修改得出的結(jié)果與原值的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比出的差異分析MD5 算法的安全性。對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 算法的安全性驗(yàn)證

由仿真結(jié)果可以看出，雖然只是修改其中的一位，或是大小寫的轉(zhuǎn)換，但所得出的MD5 值卻是完全不同的。這些細(xì)微改變而導(dǎo)致結(jié)果的巨大差異驗(yàn)證了MD5 算法具有極高的安全性。

■2.2.3 MD5 算法時(shí)效性檢驗(yàn)

運(yùn)算時(shí)間是算法是否實(shí)用一個(gè)重要指標(biāo)。高效的運(yùn)算速度使在固定的時(shí)間內(nèi)能處理更多的數(shù)據(jù)量。假如一個(gè)加密算法的速度慢到需要幾小時(shí)甚至幾天的時(shí)間來完成，將完全不能滿足電力系統(tǒng)通信這樣信息量多、文件大的需求，同時(shí)影響用戶的體驗(yàn)。為驗(yàn)證MD5 算法的時(shí)效性，設(shè)置兩組不同長度的算例作為對(duì)照，每組算例均運(yùn)算20 次，將運(yùn)算所用時(shí)間取平均值，通過對(duì)比分析算法的時(shí)效性。以下為兩組算例的初始值，其中A 組都為16bit 字符串，B 組都為64bit字符串。兩組算例運(yùn)算所用的時(shí)間如表3 所示。

表3 MD5算法的時(shí)效性檢驗(yàn)

從表格給出的結(jié)果可以看出MD5 算法的運(yùn)算速度較快快，運(yùn)算上述算例所需時(shí)間均為微秒級(jí)別，并且通過對(duì)比可以看出16bit 字符串與64bit 字符串運(yùn)算所用平均時(shí)間相差甚微，幾乎可以歸于系統(tǒng)誤差，因此說明了MD5 算法時(shí)效性之高，即使應(yīng)用在電力通信上可行。

3 結(jié)論

本文分析了MD5 的算法原理和應(yīng)用場合，并從電力通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全性，對(duì)MD5 算法的時(shí)效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。由結(jié)果可得，MD5 輸出的均為128 位的信息摘要，對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算時(shí)間效率高。