嵌入式算法9---MD5的应用与实现

1、MD5概念

MD5信息摘要算法（MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。输入任意长度的数据经过处理，输出都是128位的信息（数字指纹）。

不同的输入得到的不同的结果，在有限范围内是唯一的，毕竟字符的组合是无限的，大于2^128种。MD5加密过程是一个有损的加密过程，几乎不能还原出原始数据。

2、MD5算法（C语言版）

md5.h

#ifndef MD5_H
#define MD5_H

typedef struct
{
    unsigned int count[2];
    unsigned int state[4];
    unsigned char buffer[64];
}MD5_CTX;

#define F(x,y,z) ((x & y) | (~x & z))
#define G(x,y,z) ((x & z) | (y & ~z))
#define H(x,y,z) (x^y^z)
#define I(x,y,z) (y ^ (x | ~z))
#define ROTATE_LEFT(x,n) ((x << n) | (x >> (32-n)))

#define FF(a,b,c,d,x,s,ac) \
{ \
    a += F(b,c,d) + x + ac; \
    a = ROTATE_LEFT(a,s); \
    a += b; \
}

#define GG(a,b,c,d,x,s,ac) \
{ \
    a += G(b,c,d) + x + ac; \
    a = ROTATE_LEFT(a,s); \
    a += b; \
}

#define HH(a,b,c,d,x,s,ac) \
{ \
    a += H(b,c,d) + x + ac; \
    a = ROTATE_LEFT(a,s); \
    a += b; \
}

#define II(a,b,c,d,x,s,ac) \
{ \
    a += I(b,c,d) + x + ac; \
    a = ROTATE_LEFT(a,s); \
    a += b; \
}

extern void MD5Init(MD5_CTX *context);
extern void MD5Update(MD5_CTX *context,unsigned char *input,unsigned int inputlen);
extern void MD5Final(MD5_CTX *context,unsigned char digest[16]);

#endif // MD5_H

md5.c

#include "md5.h"

static void MD5Transform(unsigned int state[4],unsigned char block[64]);
static void MD5Encode(unsigned char *output,unsigned int *input,unsigned int len);
static void MD5Decode(unsigned int *output,unsigned char *input,unsigned int len);

unsigned char PADDING[]={0x80,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
                         0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
                         0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
                         0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};

static void MD5Encode(unsigned char *output,unsigned int *input,unsigned int len)
{
    unsigned int i = 0,j = 0;
    while(j < len)
    {
        output[j] = input[i] & 0xFF;
        output[j+1] = (input[i] >> 8) & 0xFF;
        output[j+2] = (input[i] >> 16) & 0xFF;
        output[j+3] = (input[i] >> 24) & 0xFF;
        i++;
        j+=4;
    }
}

static void MD5Decode(unsigned int *output,unsigned char *input,unsigned int len)
{
    unsigned int i = 0,j = 0;
    while(j < len)
    {
        output[i] = (input[j]) |(input[j+1] << 8) |(input[j+2] << 16) |(input[j+3] << 24);
        i++;
        j+=4;
    }
}

static void MD5Transform(unsigned int state[4],unsigned char block[64])
{
    unsigned int a = state[0];
    unsigned int b = state[1];
    unsigned int c = state[2];
    unsigned int d = state[3];
    unsigned int x[64];

    MD5Decode(x,block,64);

    /* Round 1 */
    FF(a, b, c, d, x[ 0], 7, 0xd76aa478); /* 1 */
    FF(d, a, b, c, x[ 1], 12, 0xe8c7b756); /* 2 */
    FF(c, d, a, b, x[ 2], 17, 0x242070db); /* 3 */
    FF(b, c, d, a, x[ 3], 22, 0xc1bdceee); /* 4 */
    FF(a, b, c, d, x[ 4], 7, 0xf57c0faf); /* 5 */
    FF(d, a, b, c, x[ 5], 12, 0x4787c62a); /* 6 */
    FF(c, d, a, b, x[ 6], 17, 0xa8304613); /* 7 */
    FF(b, c, d, a, x[ 7], 22, 0xfd469501); /* 8 */
    FF(a, b, c, d, x[ 8], 7, 0x698098d8); /* 9 */
    FF(d, a, b, c, x[ 9], 12, 0x8b44f7af); /* 10 */
    FF(c, d, a, b, x[10], 17, 0xffff5bb1); /* 11 */
    FF(b, c, d, a, x[11], 22, 0x895cd7be); /* 12 */
    FF(a, b, c, d, x[12], 7, 0x6b901122); /* 13 */
    FF(d, a, b, c, x[13], 12, 0xfd987193); /* 14 */
    FF(c, d, a, b, x[14], 17, 0xa679438e); /* 15 */
    FF(b, c, d, a, x[15], 22, 0x49b40821); /* 16 */

    /* Round 2 */
    GG(a, b, c, d, x[ 1], 5, 0xf61e2562); /* 17 */
    GG(d, a, b, c, x[ 6], 9, 0xc040b340); /* 18 */
    GG(c, d, a, b, x[11], 14, 0x265e5a51); /* 19 */
    GG(b, c, d, a, x[ 0], 20, 0xe9b6c7aa); /* 20 */
    GG(a, b, c, d, x[ 5], 5, 0xd62f105d); /* 21 */
    GG(d, a, b, c, x[10], 9,  0x2441453); /* 22 */
    GG(c, d, a, b, x[15], 14, 0xd8a1e681); /* 23 */
    GG(b, c, d, a, x[ 4], 20, 0xe7d3fbc8); /* 24 */
    GG(a, b, c, d, x[ 9], 5, 0x21e1cde6); /* 25 */
    GG(d, a, b, c, x[14], 9, 0xc33707d6); /* 26 */
    GG(c, d, a, b, x[ 3], 14, 0xf4d50d87); /* 27 */
    GG(b, c, d, a, x[ 8], 20, 0x455a14ed); /* 28 */
    GG(a, b, c, d, x[13], 5, 0xa9e3e905); /* 29 */
    GG(d, a, b, c, x[ 2], 9, 0xfcefa3f8); /* 30 */
    GG(c, d, a, b, x[ 7], 14, 0x676f02d9); /* 31 */
    GG(b, c, d, a, x[12], 20, 0x8d2a4c8a); /* 32 */

    /* Round 3 */
    HH(a, b, c, d, x[ 5], 4, 0xfffa3942); /* 33 */
    HH(d, a, b, c, x[ 8], 11, 0x8771f681); /* 34 */
    HH(c, d, a, b, x[11], 16, 0x6d9d6122); /* 35 */
    HH(b, c, d, a, x[14], 23, 0xfde5380c); /* 36 */
    HH(a, b, c, d, x[ 1], 4, 0xa4beea44); /* 37 */
    HH(d, a, b, c, x[ 4], 11, 0x4bdecfa9); /* 38 */
    HH(c, d, a, b, x[ 7], 16, 0xf6bb4b60); /* 39 */
    HH(b, c, d, a, x[10], 23, 0xbebfbc70); /* 40 */
    HH(a, b, c, d, x[13], 4, 0x289b7ec6); /* 41 */
    HH(d, a, b, c, x[ 0], 11, 0xeaa127fa); /* 42 */
    HH(c, d, a, b, x[ 3], 16, 0xd4ef3085); /* 43 */
    HH(b, c, d, a, x[ 6], 23,  0x4881d05); /* 44 */
    HH(a, b, c, d, x[ 9], 4, 0xd9d4d039); /* 45 */
    HH(d, a, b, c, x[12], 11, 0xe6db99e5); /* 46 */
    HH(c, d, a, b, x[15], 16, 0x1fa27cf8); /* 47 */
    HH(b, c, d, a, x[ 2], 23, 0xc4ac5665); /* 48 */

    /* Round 4 */
    II(a, b, c, d, x[ 0], 6, 0xf4292244); /* 49 */
    II(d, a, b, c, x[ 7], 10, 0x432aff97); /* 50 */
    II(c, d, a, b, x[14], 15, 0xab9423a7); /* 51 */
    II(b, c, d, a, x[ 5], 21, 0xfc93a039); /* 52 */
    II(a, b, c, d, x[12], 6, 0x655b59c3); /* 53 */
    II(d, a, b, c, x[ 3], 10, 0x8f0ccc92); /* 54 */
    II(c, d, a, b, x[10], 15, 0xffeff47d); /* 55 */
    II(b, c, d, a, x[ 1], 21, 0x85845dd1); /* 56 */
    II(a, b, c, d, x[ 8], 6, 0x6fa87e4f); /* 57 */
    II(d, a, b, c, x[15], 10, 0xfe2ce6e0); /* 58 */
    II(c, d, a, b, x[ 6], 15, 0xa3014314); /* 59 */
    II(b, c, d, a, x[13], 21, 0x4e0811a1); /* 60 */
    II(a, b, c, d, x[ 4], 6, 0xf7537e82); /* 61 */
    II(d, a, b, c, x[11], 10, 0xbd3af235); /* 62 */
    II(c, d, a, b, x[ 2], 15, 0x2ad7d2bb); /* 63 */
    II(b, c, d, a, x[ 9], 21, 0xeb86d391); /* 64 */

    state[0] += a;
    state[1] += b;
    state[2] += c;
    state[3] += d;
}

void MD5Init(MD5_CTX *context)
{
    context->count[0] = 0;
    context->count[1] = 0;
    context->state[0] = 0x67452301;
    context->state[1] = 0xEFCDAB89;
    context->state[2] = 0x98BADCFE;
    context->state[3] = 0x10325476;
}

void MD5Update(MD5_CTX *context,unsigned char *input,unsigned int inputlen)
{
    unsigned int i = 0,index = 0,partlen = 0;
    index = (context->count[0] >> 3) & 0x3F;
    partlen = 64 - index;
    context->count[0] += inputlen << 3;
    if(context->count[0] < (inputlen << 3))
    {
        context->count[1]++;
    }
    context->count[1] += inputlen >> 29;

    if(inputlen >= partlen)
    {
        memcpy(&context->buffer[index],input,partlen);
        MD5Transform(context->state,context->buffer);
        for(i = partlen;i+64 <= inputlen;i+=64)
        {
            MD5Transform(context->state,&input[i]);
        }
        index = 0;
    }
    else
    {
        i = 0;
    }
    memcpy(&context->buffer[index],&input[i],inputlen-i);
}

void MD5Final(MD5_CTX *context,unsigned char digest[16])
{
    unsigned int index = 0,padlen = 0;
    unsigned char bits[8];
    index = (context->count[0] >> 3) & 0x3F;
    padlen = (index < 56)?(56-index):(120-index);
    MD5Encode(bits,context->count,8);
    MD5Update(context,PADDING,padlen);
    MD5Update(context,bits,8);
    MD5Encode(digest,context->state,16);
}

应用范例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "md5.h"

extern void MD5Init(MD5_CTX *context);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    unsigned char source[] ={"gongzhonghao:embedded-system"};
    unsigned char md5[16];

    MD5_CTX md5Handle;

    MD5Init(&md5Handle);
    MD5Update(&md5Handle,source,strlen(source));
    MD5Final(&md5Handle,md5);

    printf("MD5:");
    for(i=0;i<16;i++)
    {
        printf("%02X",md5[i]);
    }
    printf("\r\n");

    return 0;
}

输出：

MD5:8FEF6276B43CFD4934BB1E5E44A3B92B

3、应用

嵌入式系统开发中，MD5一般用于校验文件的完整性，如通过网络下载的文件，可能缺少部分或者被篡改，通过计算实际接收文件的MD5码，与原始MD5比较，判断文件是否正确。在密码存储方面，将用户输入的明文密码转成MD5码保存，后期应用只匹配比较MD5码，这样即使后台管理员也无法查看到真实密码。

MD5码在部分情况下不属于加密算法，因为MD5是摘要提取处理，无法根据MD5码解密出原数据，即使有破解，也只是通过穷举字符组合的方式，创建了明文密文对应表实现，根据MD5倒推出明文。如MD5码为8FEF6276B43CFD4934BB1E5E44A3B92B，可以破解出原数据是"gongzhonghao:embedded-system"，前提是保存有N多明文及其MD5，暴力匹配。

MD5标准是128位，采用16进制表示是16字节，即32个字符，有时为了简便，抛弃前后各8个字符，取正中间的16个字符串，记为MD5-16。