MD5算法的设计与实现

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实验三 MD5算法的设计与实现

一、实验目的:

设计并实现MD5算法,从而进一步加深对数据完整性保证和散列函数的理解。

二、实验要求:

1、产生任意电子文档(包括文本和二进制)的128位信息摘要。

2、根据信息摘要验证该电子文档是否被更改过。

三、实验内容:

1、MD5算法简介:

Message Digest Algorithm MD5(中文名为消息摘要算法第五版)为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数,用以提供消息的完整性保护。1991年,Rivest开发出技术上更为趋近成熟的md5算法。它在MD4的基础上增加了"安全-带子"(safety-belts)的概念。虽然MD5比MD4复杂度大一些,但却更为安全。这个算法很明显的由四个和MD4设计有少许不同的步骤组成。在MD5算法中,信息-摘要的大小和填充的必要条件与MD4完全相同。Den boer和Bosselaers曾发现MD5算法中的假冲突(pseudo-collisions),但除此之外就没有其他被发现的加密后结果了。对MD5算法简要的叙述可以为:MD5以512位分组来处理输入的信息,且每一分组又被划分为16个32位子分组,经过了一系列的处理后,算法的输出由四个32位分组组成,将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。

2. MD5算法逻辑处理操作包括以下几步:

步骤一:附加填充比特。对报文填充使报文的长度(比特数)与448模512同余。即填充比特使长度为512的整数倍减去64。例如,如果报文是448比特长,那么将填充512比特形成960比特的报文。填充比特串的最高位为1,其余各位均为0。

步骤二:附加长度值。将用64比特表示的初始报文(填充前)的位长度附加在步骤一的结果后(低位字节优先)。如果初始长度大于264,仅使用该长度的低64比特。这样,该域所包含的长度值为初始报文长度模264的值。这两步的结果将产生一个长度为512整数倍比特的报文。经扩展的报文表示成512比特的分组序列列Y1、Y2、Y3……Y(n-1),因此扩展的报文长度等于L乘512比特。与之等价的是,该结果也等于字长为16比特或32比特的整数倍,如果让[]10−NML表示扩展报文包含的字数,其中N是16的倍数,则N等于L 乘512。下图为使用MD5产生报文摘要的过程:

步骤三:初始化MD缓存。使用一个128比特的缓存来存放该散列函数的中间值及最终结果。该缓存可表示为4个32比特的寄存器(ABCD)。A=67452301,B=EFCDAB89,C=98BADCFE,D=10325476,这些值以低位字节放在在前的格式存储: A=01234567,B=89ABCDEF,C=FEDCBA98,D=76543210

步骤四:处理512比特报文分组序列。算法的核心是一个包含四个“循环”的压缩函数,下图为单个512比特分组MD5处理过程:

四个循环有相似的结构,但每次循环使用不同的原始逻辑函数,说明中表示为FGHI。每一循环都以当前的正在处理的512比特分组(Yq)和128比特的缓存值ABCD为输入,然后更新缓存的内容。每一循环使用一个64元素表T[0…64]的四分之一,该表通过正弦函数构建。T的第i个元素(表示为[Ti])的值等于的整数部分值其中i的单位是弧度。因为是0到1之间的数,每个T 的值均能用32比特表示集,它将消除输入数据的任何规律性。

第四次循环的输出加到第一次循环的输入(CVq)上产生(CV q+1),相加是缓存四个字与(CVq)中对应四个字以模相加。

步骤五:输出。所有L个512比特的分组处理完成后,第L阶段产生的输出便是128比特的报文摘要。总结MD5的操作

如下:

其中: IV=缓存ABCD的初值,在步骤三定义

Yq=第q个长度为512比特的报文分组

L=报文(包括填充字段和长度字段)的分组数

CVq=处理第q个报文分组时的连接变量

RFx=使用原始逻辑函数x的循环函数

MD=最终的报文摘要

SUM32=对输入对中的每个字分别执行模相加

3、MD5的安全性:

md5相对md4所作的改进:

a. 增加了第四轮;

b. 每一步均有唯一的加法常数;

c. 为减弱第二轮中函数g的对称性从(x&y)|(x&z)|(y&z)变为(x&z)|(y&(~z));

d. 第一步加上了上一步的结果,这将引起更快的雪崩效应;

e. 改变了第二轮和第三轮中访问消息子分组的次序,使其更不相似;

f. 近似优化了每一轮中的循环左移位移量以实现更快的雪崩

效应。各轮的位移量互不相同。

4.设计MD5算法:

(1)、MD5ChecksumDefines.h(定义相关常量的头文件)//Magic initialization constants

#define MD5_INIT_STATE_0 0x67452301

#define MD5_INIT_STATE_1 0xefcdab89

#define MD5_INIT_STATE_2 0x98badcfe

#define MD5_INIT_STATE_3 0x10325476

//Constants for Transform routine.

#define MD5_S11 7

#define MD5_S12 12

#define MD5_S13 17

#define MD5_S14 22

#define MD5_S21 5

#define MD5_S22 9

#define MD5_S23 14

#define MD5_S24 20

#define MD5_S31 4

#define MD5_S32 11

#define MD5_S33 16

#define MD5_S34 23

#define MD5_S41 6

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