MD5加密原理解析及OC版原理实现

2022-03-17 09:19:35

MD5加密原理解析及OC版原理实现

一、MD5算法基础概念

MD5算法是Hash算法的一种，叫做讯息摘要演算法。所谓摘要，从字面意思理解，是指内容的大概。在MD5算法中，这个摘要是指将任意数据映射成一个128位长的摘要信息。并且其是不可逆的，即从摘要信息无法反向推演中原文，在演算过程中，原文的内容也是有丢失的。

因为MD5算法最终生成的是一个128位长的数据，从原理上说，有2^128种可能，这是一个非常巨大的数据，约等于3.4乘10的38次方，虽然这个是个天文数字，但是世界上可以进行加密的数据原则上说是无限的，因此是可能存在不同的内容经过MD5加密后得到同样的摘要信息，但这个碰中的概率非常小。

二、MD5的使用场景

MD5常用在密码加密中，一般为了保证用户密码的安全，在数据库中存储的都是用户的密码经过MD5加密后的值，在客户端用户输入密码后，也会使用MD5进行加密，这样即使用户的网络被窃听，窃听者依然无法拿到用户的原始密码，并且即使用户数据库被盗，没有存储明文的密码对用户来说也多了一层安全保障。

MD5签名技术还常用于防止信息的篡改。使用MD5可以对信息进行签名，接收者拿到信息后只要重新计算签名和原始签名进行对比，即可知道数据信息是否中途被篡改了。

三、MD5算法原理

MD5算法大致分为4步完成：

第1步：进行数据填充整理

这一步是对要加密的数据进行填充和整理，将要加密的二进制数据对512取模，得到的结果如果不够448位，则进行补足，补足的方式是第1位填充1，后面全部填充0。

第2步：记录数据长度

经过第一步整理完成后的数据的位数可以表示为N*512+448，再向其后追加64位用来存储数据的长度，比如数据的长度为16字节，则用10000来填充后64位。这一步做完后，数据的位数将变成(N+1)*512。

第3步：以标准的幻数作为输入

MD5的实现需要每512个字节进行一次处理，后一次处理的输入为前一次处理的输出，因此，在循环处理开始之前，需要拿4个标准数作为输入，它们分别是：

unsigned int A=0x67452301,B=0xefcdab89,C=0x98badcfe,D=0x10325476;

第4步：进行N轮循环处理，将最后的结果输出

这一步重要的是每一轮的处理算法，每一轮处理也要循环64次，这64次循环被分为4各组，每16次循环为一组，每组循环使用不同的逻辑处理函数，处理完成后，将输出作为输入进入下一轮循环。

四、MD5核心算法的实现

这里演示的是每轮循环的核心算法：

首先进行3个函数的声明：

//将大端字节序转换为小端字节序
void convertToLittleEndian(unsigned int *data, int len);
//进行循环左移函数
void ROL(unsigned int *s, unsigned short cx);
//MD5加密函数
void MD5(NSString *str);

MD5算法中处理的数据都是小端字节序的，而使用Objective-C处理的NSData对象的字节序是大端字节序，因此我们需要做一下转换。函数实现如下：

void convertToLittleEndian(unsigned int *data, int len)
{
    for (int index = 0; index < len; index ++) {
        
        *data = ((*data & 0xff000000) >> 24)
        | ((*data & 0x00ff0000) >>  8)
        | ((*data & 0x0000ff00) <<  8)
        | ((*data & 0x000000ff) << 24);
        
        data ++;
    }
}

在MD5中有需要对字节数据进行循环左移的操作，循环左移函数实现如下：

void ROL(unsigned int *s, unsigned short cx)
{
    if (cx > 32)cx %= 32;
    *s = (*s << cx) | (*s >> (32 - cx));
   return;
}

下面是MD5函数的核心实现：

void MD5(NSString *str){
    const void * bytes[str.length];
    //字符串转字节流
    [str getBytes:bytes maxLength:str.length usedLength:nil encoding:NSUTF8StringEncoding options:NSStringEncodingConversionExternalRepresentation range:NSMakeRange(0, str.length) remainingRange:nil];
    //使用NSData存储
    NSMutableData * data = [[NSMutableData alloc] initWithBytes:bytes length:str.length];
    BOOL first = YES;
    //进行数据填充
    if (data.length<56) {
        do {
            if (first) {
                int byte = 0b10000000;
                [data appendBytes:&byte length:1];
                first = NO;
            }else{
                int byte = 0b00000000;
                [data appendBytes:&byte length:1];
            }
        } while (data.length<56);
    }
    int length = (int)str.length*8%((int)pow(2, 64));
    [data appendBytes:&length length:8];
    void * newBytes[64];
    memcpy(newBytes, [data bytes], 64);
    //大小端转换
    convertToLittleEndian(newBytes, 64);
    NSData * newData = [NSData dataWithBytes:newBytes length:data.length];
    NSMutableArray * subData = [NSMutableArray array];
    //进行分组
    for (int i = 0; i<16; i++) {
        [subData addObject: [newData subdataWithRange:NSMakeRange(i*4, 4)]];
    }
    //初始输入
    unsigned int A=0x67452301,B=0xefcdab89,C=0x98badcfe,D=0x10325476;
    unsigned int a=A,b=B,c=C,d=D;
    unsigned int s[64] = { 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22,5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 4, 11,16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 6, 10, 15,21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21 };
    unsigned int  k[64] = {
        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 };
    
    //64次循环处理
    for (int i = 0; i <= 64; i++) {
        
        if (i<64) {
            unsigned int f;
            unsigned int g;
            if (i<16) {   
                f = (b&c)|((~b)&d);
                g = i;
            }else if(i<32) {
                f = (b&d)|((~d)&c);
                g = (5*i+1)%16;
            }else if(i<48){
                f = b^c^d;
                g = (3*i+5)%16;
            }else{
                f = c^((~d)|b);
                g = (7*i)%16;
            }
            unsigned int * temp = (unsigned int *) [subData[g] bytes];
            unsigned int  *tem = malloc(sizeof(unsigned int));
            memcpy(tem, temp, 4);
            convertToLittleEndian(tem, 4);
            unsigned int res = (a+f+*tem+k[i]);
            ROL(&res,s[i]);
            unsigned int t = res+b;
            a = d;
            d = c;
            c = b;
            b = t;
           
        }else{
            A = a+A;
            B = b+B;
            C = c+C;
            D = d+D;
        }
    }
    //大小端转换
    unsigned int * newA = malloc(sizeof(unsigned int));
    memcpy(newA, &A, 4);
    NSLog(@"%0x",*newA);
    convertToLittleEndian(newA, 4);
    unsigned int * newB = malloc(sizeof(unsigned int));
    memcpy(newB, &B, 4);
    convertToLittleEndian(newB, 4);
    unsigned int * newC = malloc(sizeof(unsigned int));
    memcpy(newC, &C, 4);
    convertToLittleEndian(newC, 4);
    unsigned int * newD = malloc(sizeof(unsigned int));
    memcpy(newD, &D, 4);
    convertToLittleEndian(newD, 4);
    NSLog(@"AAA:%0x %0x %0x %0x ",*newA,*newB,*newC,*newD);
}

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