基于MD5加密的身份認(rèn)證系統(tǒng)研究

◆李可 石兆軍 周曉俊 郭珂琪

基于MD5加密的身份認(rèn)證系統(tǒng)研究

◆李可 石兆軍 周曉俊 郭珂琪

（北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所 北京 100854）

近些年，信息化社會(huì)越來越發(fā)達(dá)，上網(wǎng)已經(jīng)成為人們的日常。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒁苍絹碓蕉唷ｋS著信息泄露、信息被惡意篡改等網(wǎng)絡(luò)安全問題的暴露，人們對(duì)自身信息的安全保護(hù)需求更加強(qiáng)烈。如何確認(rèn)進(jìn)行交談的對(duì)象、保證密碼不被泄露是人們所擔(dān)心的問題，因此對(duì)密碼合理保存頗為重要，通常使用加密或者信息摘要的形式保存。本文介紹IntelliJ IDEA、Eclipse開發(fā)工具以及Mysql數(shù)據(jù)庫，并對(duì)MD5算法進(jìn)行介紹以及算法安全性分析，采用Hash函數(shù)MD5算法加密的方式與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比較，進(jìn)行身份的驗(yàn)證，同時(shí)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證。

MD5；身份認(rèn)證；單點(diǎn)登錄；Abstract

1 前言

1.1 研究背景

雖然近些年發(fā)展迅速，但是生活中依然能看到許多盜版網(wǎng)站，甚至包括即使有些正版官方網(wǎng)站都使用明文存儲(chǔ)密碼，貪圖方便，減少成本。一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫泄露等安全問題，會(huì)帶給用戶極大的損失。所以用戶密碼如何安全存儲(chǔ)，Hash函數(shù)作為密碼學(xué)中一個(gè)經(jīng)典的理論范疇，在實(shí)際生活中具有良好的應(yīng)用型優(yōu)勢(shì)。經(jīng)典算法包括MD系列和SHA系統(tǒng)，而MD5算法是Hash函數(shù)中典型的算法之一，能將任意消息長度的信息轉(zhuǎn)為固定128bit長度的一個(gè)摘要。因此Hash算法在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，并且在校驗(yàn)完整性以及數(shù)字簽名、身份認(rèn)證方面都發(fā)揮著不錯(cuò)的效果。因此，對(duì)MD5算法的研究具有重大的借鑒意義。因此將Hash算法和CAS合理的結(jié)合起來，有利于人們?cè)谶M(jìn)行身份認(rèn)證過程中更加安全也更加方便。相信隨著技術(shù)的再進(jìn)步，會(huì)有更多、更加優(yōu)秀的身份認(rèn)證方式出現(xiàn)，給人們信息安全方面帶來更多福音。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，隨著科技的高速發(fā)展，信息安全技術(shù)得到一定的進(jìn)步，在密碼學(xué)方面也有許多進(jìn)展。從最初二十世紀(jì)七十年代末，Hash函數(shù)在密碼學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，人們開始對(duì)Hash函數(shù)進(jìn)行研究。目前，對(duì)Hash函數(shù)的探索集中在兩個(gè)方面：一方面是對(duì)已有的Hash函數(shù)進(jìn)行攻擊的研究，另一個(gè)方面是如何設(shè)計(jì)出一個(gè)更加安全的Hash函數(shù)的研究。1992年，Rivest在MD4算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了MD5算法，MD5算法的安全性能比MD4算法的安全性高，該算法的Hash值的長度以及填充準(zhǔn)則與MD4算法是完全一樣的。因此，在那個(gè)計(jì)算機(jī)性能較差的時(shí)代，MD5可以稱得上值得信賴的算法之一。在那段時(shí)間內(nèi)，有許多科學(xué)家研究員都希望能通過不斷的探索來對(duì)MD5進(jìn)行一個(gè)突破，找到相應(yīng)規(guī)律，對(duì)其實(shí)現(xiàn)破解。直到2004年，出身在中國的王小云提出了關(guān)于MD5算法碰撞的策略。這個(gè)策略方法經(jīng)過她與團(tuán)隊(duì)多年的努力，能在已知明文的情況下，更快、更有效的找到一個(gè)能與明文產(chǎn)生一模一樣Hash值的另一個(gè)不同的信息。這一發(fā)現(xiàn)徹底的說明了Hash函數(shù)MD5算法是存在一定的安全隱患的，也由于證明了MD5算法的抗弱碰撞性存在問題，NIST在2007年開始征集更加安全的Hash算法。雖然MD5算法被證明存在一定的安全問題，但是在之后出現(xiàn)的SHA系列等Hash函數(shù)均有MD5算法的影子。因此對(duì)MD5算法的研究更加重要。

現(xiàn)階段，各方提供了多種身份認(rèn)證方式與機(jī)制。在其中非常常見的幾種認(rèn)證方式有：生物特征識(shí)別、用戶名與密碼、短信密碼、數(shù)字簽名等。其中用得最多的還是屬于用戶名與密碼體系。如今，由于小程序以及網(wǎng)站的發(fā)展，各種系統(tǒng)層出不窮，其中有許多系統(tǒng)屬于同一公司、同一部門或者同一機(jī)構(gòu)，它們有著不同的登錄系統(tǒng)界面，用戶每次進(jìn)行登錄時(shí)，通常需要多次輸入相同的用戶名與密碼，雖然在一定程度上提供了安全性，但這也帶給用戶不太好的體驗(yàn)和諸多不便。而統(tǒng)一身份認(rèn)證屬于身份認(rèn)證行列之一，提供了SSO（Single Sign On）單點(diǎn)登錄的功能，也就是說用戶在進(jìn)行了一次登錄之后，在有效期間內(nèi)，無需重復(fù)認(rèn)證就能直接登錄相關(guān)的受信網(wǎng)站。這種方式能有效解決該問題。包括微軟的Passport，但是它的安全性沒有得到保證，并且因?yàn)榧夹g(shù)不公開，有一定的壟斷性。由于我國的IT技術(shù)在身份認(rèn)證領(lǐng)域發(fā)展起步晚，相對(duì)落后，導(dǎo)致現(xiàn)階段所用產(chǎn)品大多數(shù)都是國外的，國內(nèi)幾乎沒有比較成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。而其中比較典型的CAS框架因?yàn)楸旧砼渲煤唵?、開源、能實(shí)現(xiàn)跨域且安全性較好等特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。

2 系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)以及相關(guān)技術(shù)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)及工具說明

（1）IntelliJ IDEA：是一款以Java語言開發(fā)的集成環(huán)境，支持HTML、CSS、Mysql等。具有智能編碼、歷史記錄功能、靈活排版以及完全支持JSP等優(yōu)點(diǎn)。

（2）Eclipse：是一個(gè)開源的、基于Java的可擴(kuò)展平臺(tái)。支持許多插件，其中就包括WindowBuilder可視化插件。

（3）MySQL：是一個(gè)由瑞典MySQLAB公司開發(fā)的當(dāng)下最流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一。使用SQL語言，體積小、速度快、總體成本較低、開放源代碼等都是該數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢(shì)。

（4）Tomcat：該服務(wù)器具有開源代碼的特點(diǎn)，并且適合人們?cè)谶M(jìn)行測(cè)試的時(shí)候進(jìn)行本地搭建。作為一種輕量級(jí)的服務(wù)器，適用于同時(shí)訪問人數(shù)較少的情況下使用。

2.2 MySQL數(shù)據(jù)庫具體介紹

MySQL數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)：查詢速度較快、體量小、開源免費(fèi)、占用空間小、經(jīng)濟(jì)成本低以及支持SQL語言等。這些都是MySQL令人青睞的重要原因。Mongodb數(shù)據(jù)庫，該類數(shù)據(jù)庫屬于分布式存儲(chǔ)的方式，沒有固定的格式，基于索引查詢，存儲(chǔ)方式是JSON。顯然，本研究使用用戶名與密碼的身份認(rèn)證方式，有著固定的格式要求，采用MySQL數(shù)據(jù)庫更加合理。同時(shí)，因?yàn)榭梢允褂胘dbc對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。這樣的話，可以讓人們?cè)趯?duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)改變時(shí)更加的簡單明了，而且更多開發(fā)平臺(tái)都支持jdbc的使用。

3 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)概述

3.1 MD5算法介紹

MD5算法作為哈希算法中非常經(jīng)典的算法之一，是經(jīng)過許多科學(xué)家、研究人員多次改進(jìn)之后得到的一個(gè)在當(dāng)時(shí)較為滿意的算法，接下來，將會(huì)對(duì)該算法的發(fā)展背景與具體實(shí)施步驟進(jìn)行相應(yīng)介紹。

3.1.1 MD5算法的發(fā)展及特點(diǎn)

MD5算法是被人們廣泛使用的密碼散列函數(shù)的經(jīng)典算法之一。適用場(chǎng)景較多，此算法隸屬于MD系列算法的一員。MD5算法將一個(gè)任意長度的信息壓縮成固定比特?cái)?shù)的格式，這極大地提高了對(duì)信息的存儲(chǔ)效率。 MD5算法類似于SP網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散作用。因?yàn)樾畔⒄惴梢运闶且环N壓縮算法，由于原有信息長度為無限（任意）長，最后得到的摘要的比特長度一般來說是小于原有信息的長度。在信息摘要算法中，即使知道了摘要信息，想要確定地反推回原文是很難的，具有不可逆性。MD5算法的填充方式與得到的哈希值的長度均為128比特，但是產(chǎn)生沖突的概率沒有理想中的那么優(yōu)秀，于是，MD5算法橫空出世，在MD4算法的基礎(chǔ)上，多增加了一輪迭代，變成四輪，在將近十幾年的時(shí)間內(nèi)，MD5的是相對(duì)安全的。

3.1.2 MD5算法原理描述

（1）消息填充。首先，對(duì)于任意長度的原文信息轉(zhuǎn)為二進(jìn)制，并且需要進(jìn)行消息填充，其中因?yàn)樾枰褂?4比特用來記錄該信息原文的長度，采用二進(jìn)制的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。加上使用的64比特外，需要將原有消息比特?cái)?shù)填充至512的倍數(shù)。

（2）把原有信息的長度化為二進(jìn)制加入到已經(jīng)填充的消息末尾。使用64比特，采用小端存儲(chǔ)的方式用來表示整個(gè)原文消息也就是被填充前的長度。小端方式是指根據(jù)信息數(shù)據(jù)的最低有效字節(jié)優(yōu)先的順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式。如果消息長度大于264，那么將會(huì)以264為模進(jìn)行取模處理。

（3）對(duì)MD緩沖區(qū)初始化。在一開始初始化一個(gè)初始向量，記作IV，該初始向量由4個(gè)寄存器組成，每個(gè)寄存器長度均為32比特，IV的總長度為128比特。并且每個(gè)寄存器都采用小端方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且使用的是十六進(jìn)制來保存，對(duì)每個(gè)寄存器都賦予一定規(guī)定好的初始值，寄存器分別記作A，B，C，D，并且每個(gè)小組之間需要一個(gè)CV鏈接變量。

（4）需要對(duì)信息進(jìn)行分組處理。將填充過后的信息每512比特都分成一個(gè)小組，每個(gè)小組都有16個(gè)字（一個(gè)字包括32比特）。

（5）對(duì)每個(gè)小組通過壓縮函數(shù)進(jìn)行4輪、每輪16步的迭代壓縮。在一開始，先建立一張常數(shù)表T。T一共有64個(gè)不同的元素。比如在T常數(shù)表中的第k個(gè)元素T[k]的值就是232*abs（sin（i））取整，并且采用十六進(jìn)制來表示。每輪的壓縮函數(shù)并不相同，每一個(gè)分組都會(huì)經(jīng)歷4輪一共64步的運(yùn)算，經(jīng)過若干分組的操作后，會(huì)最終得到一個(gè)長度為128比特的信息摘要。這就是MD5值。

3.2 CAS介紹

3.2.1 SSO單點(diǎn)登錄

SSO作為一種登錄體系基于統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)，通常需要有多個(gè)角色，一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)證中心，還要包括若干個(gè)相互信任的應(yīng)用平臺(tái)。這些平臺(tái)的身份認(rèn)證都會(huì)統(tǒng)一在認(rèn)證中心進(jìn)行一次認(rèn)證，一般來說會(huì)使用每個(gè)系統(tǒng)相互承認(rèn)的、共同的一部分?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫進(jìn)行驗(yàn)證，校驗(yàn)了用戶的身份，如果沒有通過，不會(huì)允許用戶使用應(yīng)用。反之，通過驗(yàn)證后，通常是采用生成一個(gè)ticket的形式，讓用戶擁有該票據(jù)，并且該認(rèn)證中心會(huì)發(fā)送一段消息用來告知其他受到信任的平臺(tái)該用戶是否擁有訪問應(yīng)用的權(quán)限。SSO經(jīng)常是建立在Web應(yīng)用服務(wù)之中，因此不只是進(jìn)行身份驗(yàn)證工作，還需要進(jìn)行訪問控制，會(huì)搭建一個(gè)攔截工具，讓想單獨(dú)訪問相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶，必須要經(jīng)過認(rèn)證中心這一關(guān)卡。綜上所述，Web單點(diǎn)登錄的主要模塊需要有擔(dān)保服務(wù)模塊使用SAML認(rèn)證聲明、認(rèn)證模塊負(fù)責(zé)身份的驗(yàn)證、身份映射模塊等等。

3.2.2 CAS原理

CAS的原理機(jī)制是基于單點(diǎn)登錄進(jìn)行開發(fā)的。從結(jié)構(gòu)上，CAS包括服務(wù)端和客戶端兩個(gè)部分，服務(wù)端需要單獨(dú)部署。如果是Web應(yīng)用，將會(huì)在客戶端的web.xml中配置相應(yīng)的過濾器。該過濾器會(huì)判斷該用戶是否具有訪問應(yīng)用的資格。若沒有權(quán)限，就會(huì)重定向到服務(wù)端彈出一個(gè)登錄界面進(jìn)行驗(yàn)證。CAS的認(rèn)證方式為：首先，如果用戶想要通過瀏覽器訪問客戶端也就是一個(gè)應(yīng)用服務(wù)，那么該客戶端會(huì)通過過濾器對(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證。若用戶沒有登錄過該系統(tǒng)，那么客戶端會(huì)發(fā)送302并且攜帶一個(gè)service參數(shù)將重定向至服務(wù)端，除此之外，附加service的原因在于需要在服務(wù)端進(jìn)行驗(yàn)證后重定向到客戶端的URL。緊接著，會(huì)彈出登錄窗口界面，在服務(wù)端會(huì)進(jìn)行一次身份驗(yàn)證。通過驗(yàn)證以后，服務(wù)端會(huì)生成一個(gè)ST和TGT，并且會(huì)Cookie里面生成一個(gè)TGC通過SSL的方式傳輸給用戶。并且會(huì)暫時(shí)將ST票據(jù)顯示在網(wǎng)址中。然后重定向到客戶端，客戶端看到一個(gè)傳來的ST票據(jù)，就會(huì)想要驗(yàn)證ST票據(jù)的真實(shí)性以及是否有效。然后把ST送到服務(wù)端再次進(jìn)行確認(rèn)，最后服務(wù)端再傳一個(gè)用戶相關(guān)的信息憑證。這樣，一次CAS統(tǒng)一身份認(rèn)證完成。

3.3 偽隨機(jī)數(shù)

隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用在信息安全領(lǐng)域應(yīng)用面很廣，通常用來防止重放攻擊，用于身份認(rèn)證機(jī)制的一部分。其中較為典型的就是會(huì)話密鑰。隨機(jī)數(shù)是一組不能被預(yù)測(cè)的數(shù)字或符號(hào)序列，這些數(shù)字與符號(hào)是完全偶然產(chǎn)生的，幾乎可以說找不到它們的相關(guān)規(guī)律性。但是由于是通過計(jì)算機(jī)固定算法得到的隨機(jī)數(shù)，因此這些數(shù)不能完全被稱作隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)數(shù)一般來說需要保證數(shù)列中在規(guī)定的數(shù)字范圍內(nèi)出現(xiàn)每個(gè)不同數(shù)字的概率是相等或者相近的。并且還需要確保數(shù)列中每個(gè)任意的數(shù)都不會(huì)因?yàn)槠渌麛?shù)字已知而推導(dǎo)得出，也就是找不到它們之間的關(guān)聯(lián)性。隨機(jī)數(shù)具有不可預(yù)測(cè)性。就是說在數(shù)列之后的數(shù)不應(yīng)該會(huì)被前面的若干個(gè)數(shù)猜測(cè)到。在現(xiàn)實(shí)生活中，真正的隨機(jī)數(shù)幾乎很難得到，所以網(wǎng)絡(luò)安全方面我們一般采用的是偽隨機(jī)數(shù)。雖然會(huì)受到固定算法的影響，但是算法只要通過了隨機(jī)性的檢測(cè)，那么就可以說這個(gè)是一個(gè)隨機(jī)性良好的算法，現(xiàn)在使用最多的是用線性同余算法產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)列。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以及檢測(cè)

4.1 MD5算法設(shè)計(jì)與分析

4.1.1 MD5詳細(xì)步驟以及代碼實(shí)現(xiàn)

對(duì)MD5算法進(jìn)行初步分析，發(fā)現(xiàn)在不進(jìn)行填充的部分可以優(yōu)先使用MD5哈希算法處理，得到的結(jié)果不影響后面的運(yùn)算結(jié)果。因此，可以調(diào)整MD5算法通常的步驟程序。

（1）首先介紹MD5算法核心的壓縮函數(shù)部分。每個(gè)小組都將進(jìn)行4輪每輪16步的壓縮。

其中包括了在第i輪第j步所經(jīng)過的邏輯函數(shù)g、T常數(shù)表、選字以及循環(huán)左移包括與寄存器B進(jìn)行模232加法運(yùn)算。判斷是否還有需要繼續(xù)進(jìn)行哈希的小組，進(jìn)行迭代處理。

（2）填充階段。此時(shí)需要判斷需要用來存儲(chǔ)原始信息長度的64比特是否能夠在加入最后一個(gè)小組后依然能有空位。然后針對(duì)不同情況進(jìn)行不同的填充處理。若加入8個(gè)字節(jié)之后仍有空余，就會(huì)直接進(jìn)行填充10000.沒有剩余空位，會(huì)有兩種情況，一種是剛好只有1比特存留，一種是只有0比特存留，因?yàn)樘畛湟?guī)則規(guī)定必須要起碼填充一位1字符，然后后面可以繼續(xù)加入若干個(gè)0字符，那么就需要根據(jù)兩種不同的情況分開處理。

（3）分組階段與字節(jié)合并。分組階段可以通過字節(jié)來進(jìn)行分組也可以通過比特進(jìn)行分組。因?yàn)?12比特正好是64個(gè)字節(jié)，本次是通過字節(jié)的方法來進(jìn)行分組，在進(jìn)行壓縮函數(shù)前，需要對(duì)每4個(gè)相鄰的字節(jié)進(jìn)行合并。形成16個(gè)32比特的字。以供壓縮函數(shù)的選字操作使用。

（4）刪除符號(hào)位。在進(jìn)行字節(jié)分組的時(shí)候，因?yàn)椴捎肂yte，是一個(gè)帶有符號(hào)位的整數(shù)。這會(huì)影響我們進(jìn)行相關(guān)操作，尤其是在進(jìn)行字節(jié)數(shù)組合并的時(shí)候。所以我們要對(duì)符號(hào)位進(jìn)行刪除。

（5）輸出結(jié)果。

（6）驗(yàn)證代碼的正確性。我們使用到了一個(gè)MD5加密的網(wǎng)站，該網(wǎng)站致力于創(chuàng)建一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫，用來記錄MD5 8算法原密文對(duì)，試圖通過撞庫的方式，進(jìn)行MD5破解。使用123456、abcdefgh以及shuodhsoudnasucus@#fjsi隨意輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的驗(yàn)證。

4.1.2 MD5完整性測(cè)試

本研究采用MD5對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行校驗(yàn)，若數(shù)據(jù)不完整則不允許登錄。因此，為了檢驗(yàn)與分析MD5算法在驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性方面的特性，采用了對(duì)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行MD5加密，然后做出一個(gè)微小變動(dòng)，觀察MD5值的變化以及分析MD5的作用。

5 結(jié)論

近些年，人們對(duì)自身信息的安全保護(hù)需求更加強(qiáng)烈。如何確認(rèn)進(jìn)行交談的對(duì)象其安全性、保證密碼不被泄露是人們所擔(dān)心的問題，因此對(duì)密碼合理保存頗為重要，通常使用加密或者信息摘要的形式保存。訪問網(wǎng)站以及系統(tǒng)登錄時(shí)，通常需要進(jìn)行身份認(rèn)證，但是登錄不同的系統(tǒng)需要輸入不同的用戶名和密碼。這樣不僅操作煩瑣，而且導(dǎo)致用戶需要記住大量的信息，本文介紹基于MD5算法加密的身份認(rèn)證系統(tǒng)采用Hash函數(shù)MD5算法加鹽的方式與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比較，進(jìn)行身份的驗(yàn)證，同時(shí)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證，解決了用戶的麻煩。

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