常见的加密算法原理与实现：MD5加密

一、基本介绍

MD5加密算法，其全称是Message-Digest Algorithm 5，通常被称为信息摘要算法，所谓的信息摘要就是把明文内容按一定规则生成一段哈希（hash）值，即得到这段明文内容的信息摘要。利用MD5可以基于任意长度的明文字符串生成128位的哈希值，结果唯一且不可逆，因此MD5经常被用于防止信息被篡改、数字签名、以及对明文进行加密等场景。

二、加密原理

MD5算法加密的过程分为三步：处理原文，设置初始值，加密运算。

2.1、处理原文

由于MD5是将信息以512位为一组分组来进行处理，所以首先要计算原文长度（bit）对512的求余结果，如果不等于448，就需要对原文进行填充，使其求余结果等于448。

具体填充方法是第一位为1，余下统一填充为0，填充完后，信息的长度就为N512+448(bit)。之后用剩余的64位（512-448=64位）存储填充前信息的长度，这样处理后的信息长度就是N512+448+64，即512*(N+1)。

其实从这一步来看，好像大部分加密算法都涉及到对转为二进制后的信息的按位填充，以使其满足后续分组处理信息加密的需求。

2.2、设置初始值

MD5的哈希结果长度为128位，按每32位分成一组共4组。这4组结果是由4个初始值A、B、C、D经过不断演变得到。官方定义的A、B、C、D的标准初始值如下（16进制）：

A: 01234567
B: 89abcdef
C: fedcba98
D: 76543210

2.3、加密运算

在具体加密过程中，会进行N次循环，N就是在第一步处理原文后的分组个数，假设处理后原文长度为1024，那N就是2，即总共循环两次。

在每次循环内，会将每组的512位信息细分成16个小组，每组长度为32位。进行四轮总计64次运算，每一轮即每十六次运算都会用同一个函数进行处理。运算过程中会用到一组非线性函数如下，&是与运算，|是或运算，~是非运算，^是异或运算：

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))

在每次子循环中F、G、H、I 交替使用，第一个16次使用F，第二个16次使用G，第三个16次使用H，第四个16次使用I。

设Mj表示消息的第j个子分组（j的范围：0~15，也就是前面分的16组信息），这里的s，t都是常量，<<<s代表左移s位

FF(a,b,c,d,Mj,s,Ki),表示a=b+((a+F(b,c,d)+Mj+Ki)<<<s)
GG(a,b,c,d,Mj,s,Ki),表示a=b+((a+G(b,c,d)+Mj+Ki)<<<s)
HH(a,b,c,d,Mj,s,Ki),表示a=b+((a+H(b,c,d)+Mj+Ki)<<<s)
II(a,b,c,d,Mj,s,Ki),表示a=b+((a+I(b,c,d)+Mj+Ki)<<<s)

s在四轮循环中的值如下：

s[ 0..15] := { 7, 12, 17, 22,  7, 12, 17, 22,  7, 12, 17, 22,  7, 12, 17, 22 }
s[16..31] := { 5,  9, 14, 20,  5,  9, 14, 20,  5,  9, 14, 20,  5,  9, 14, 20 }
s[32..47] := { 4, 11, 16, 23,  4, 11, 16, 23,  4, 11, 16, 23,  4, 11, 16, 23 }
s[48..63] := { 6, 10, 15, 21,  6, 10, 15, 21,  6, 10, 15, 21,  6, 10, 15, 21 }

K在四轮循环中的值如下：

K[ 0.. 3] := { 0xd76aa478, 0xe8c7b756, 0x242070db, 0xc1bdceee }
K[ 4.. 7] := { 0xf57c0faf, 0x4787c62a, 0xa8304613, 0xfd469501 }
K[ 8..11] := { 0x698098d8, 0x8b44f7af, 0xffff5bb1, 0x895cd7be }
K[12..15] := { 0x6b901122, 0xfd987193, 0xa679438e, 0x49b40821 }
K[16..19] := { 0xf61e2562, 0xc040b340, 0x265e5a51, 0xe9b6c7aa }
K[20..23] := { 0xd62f105d, 0x02441453, 0xd8a1e681, 0xe7d3fbc8 }
K[24..27] := { 0x21e1cde6, 0xc33707d6, 0xf4d50d87, 0x455a14ed }
K[28..31] := { 0xa9e3e905, 0xfcefa3f8, 0x676f02d9, 0x8d2a4c8a }
K[32..35] := { 0xfffa3942, 0x8771f681, 0x6d9d6122, 0xfde5380c }
K[36..39] := { 0xa4beea44, 0x4bdecfa9, 0xf6bb4b60, 0xbebfbc70 }
K[40..43] := { 0x289b7ec6, 0xeaa127fa, 0xd4ef3085, 0x04881d05 }
K[44..47] := { 0xd9d4d039, 0xe6db99e5, 0x1fa27cf8, 0xc4ac5665 }
K[48..51] := { 0xf4292244, 0x432aff97, 0xab9423a7, 0xfc93a039 }
K[52..55] := { 0x655b59c3, 0x8f0ccc92, 0xffeff47d, 0x85845dd1 }
K[56..59] := { 0x6fa87e4f, 0xfe2ce6e0, 0xa3014314, 0x4e0811a1 }
K[60..63] := { 0xf7537e82, 0xbd3af235, 0x2ad7d2bb, 0xeb86d391 }

四轮加密循环的过程如下：

 第一轮
a=FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478)
b=FF(d,a,b,c,M1,12,0xe8c7b756)
c=FF(c,d,a,b,M2,17,0x242070db)
d=FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee)
a=FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)
b=FF(d,a,b,c,M5,12,0x4787c62a)
c=FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613)
d=FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501)
a=FF(a,b,c,d,M8,7,0x698098d8)
b=FF(d,a,b,c,M9,12,0x8b44f7af)
c=FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1)
d=FF(b,c,d,a,M11,22,0x895cd7be)
a=FF(a,b,c,d,M12,7,0x6b901122)
b=FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193)
c=FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e)
d=FF(b,c,d,a,M15,22,0x49b40821)

第二轮
a=GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562)
b=GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340)
c=GG(c,d,a,b,M11,14,0x265e5a51)
d=GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa)
a=GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)
b=GG(d,a,b,c,M10,9,0x02441453)
c=GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681)
d=GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8)
a=GG(a,b,c,d,M9,5,0x21e1cde6)
b=GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6)
c=GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87)
d=GG(b,c,d,a,M8,20,0x455a14ed)
a=GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905)
b=GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8)
c=GG(c,d,a,b,M7,14,0x676f02d9)
d=GG(b,c,d,a,M12,20,0x8d2a4c8a)

第三轮
a=HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942)
b=HH(d,a,b,c,M8,11,0x8771f681)
c=HH(c,d,a,b,M11,16,0x6d9d6122)
d=HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c)
a=HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44)
b=HH(d,a,b,c,M4,11,0x4bdecfa9)
c=HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60)
d=HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70)
a=HH(a,b,c,d,M13,4,0x289b7ec6)
b=HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa)
c=HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085)
d=HH(b,c,d,a,M6,23,0x04881d05)
a=HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039)
b=HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5)
c=HH(c,d,a,b,M15,16,0x1fa27cf8)
d=HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665)

第四轮
a=II(a,b,c,d,M0,6,0xf4292244)
b=II(d,a,b,c,M7,10,0x432aff97)
c=II(c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7)
d=II(b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039)
a=II(a,b,c,d,M12,6,0x655b59c3)
b=II(d,a,b,c,M3,10,0x8f0ccc92)
c=II(c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d)
d=II(b,c,d,a,M1,21,0x85845dd1)
a=II(a,b,c,d,M8,6,0x6fa87e4f)
b=II(d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0)
c=II(c,d,a,b,M6,15,0xa3014314)
d=II(b,c,d,a,M13,21,0x4e0811a1)
a=II(a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82)
b=II(d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235)
c=II(c,d,a,b,M2,15,0x2ad7d2bb)
d=II(b,c,d,a,M9,21,0xeb86d391)

在四轮循环里的每一次运算中，A、B、C、D四个初始值的变换规律如下：

新A = 原d
新B = b+((a+F(b,c,d)+Mj+Ki)<<<s)
新C = 原b
新D = 原c

下图很好的解释了这个过程，这里的F就是上面提到的那组非线性函数：

最后，在所有循环都结束以后，把经过多轮加密后最终产生的A，B，C，D四个值拼接在一起转换成字符串，就得到了最终的128位长度的MD5加密结果。

三、Python实现MD5算法

使用Python的hashlib库，可以直接实现MD5加密，需要注意的是md5函数内传入的是bytes类型的数据，经过加密或者说信息摘要后输出的结果是32位的十六进制数，也就是128位的二进制数。

import hashlib

s=b'test string'
hash_obj=hashlib.md5(s)
enc_result=hash_obj.hexdigest()
print('加密前：',s)
print('加密后：',enc_result)

输出结果：

加密前： b'test string'
加密后： 6f8db599de986fab7a21625b7916589c