MD5算法的C++实现

MD5算法的C++实现

  1. Introduction
    MD5算法是一种消息摘要算法(Message Digest Algorithm),此算法以任意长度的信息(message)作为输入进行计算,产生一个128-bit(16-byte)的指纹或报文摘要(fingerprint or message digest)。两个不同的message产生相同message digest的几率相当小,从一个给定的message digest逆向产生原始message更是困难(不过据说我国的某个教授很善于从message digest构造message),因此MD5算法适合用在数字签名应用中。MD5实现简单,在32位的机器上运行速度也相当快,当然实际应用也不仅仅局限于数字签名。
  2. MD5 Algorithm Description
    假设输入信息(input message)的长度为b(bit),我们想要产生它的报文摘要,在此处b为任意的非负整数:b也可能为0,也不一定为8的整数倍,且可能是任意大的长度。设该信息的比特流表示如下:
       M[0] M[1] M[2] ... M[b-1]
    

计算此信息的报文摘要需要如下5步:
2.1 Append Padding Bits
信息计算前先要进行位补位,设补位后信息的长度为LEN(bit),则LEN%512 = 448(bit),即数据扩展至
K512+448(bit)。即K64+56(byte),K为整数。补位操作始终要执行,即使补位前信息的长度对512求余的结果是448。具体补位操作:补一个1,然后补0至满足上述要求。总共最少要补1bit,最多补512bit。
2.2 Append Length
将输入信息的原始长度b(bit)表示成一个64-bit的数字,把它添加到上一步的结果后面(在32位的机器上,这64位将用2个字来表示并且低位在前)。当遇到b大于2^64这种极少的情况时,b的高位被截去,仅使用b的低64位。经过上面两步,数据就被填补成长度为512(bit)的倍数。也就是说,此时的数据长度是16个字(32bit)的整数倍。此时的数据表示为:
M[0 … N-1]

其中的N是16的倍数。
2.3 Initialize MD Buffer
用一个四个字的缓冲器(A,B,C,D)来计算报文摘要,A,B,C,D分别是32位的寄存器,初始化使用的是十六进制表示的数字,注意低字节在前:
word A: 01 23 45 67
word B: 89 ab cd ef
word C: fe dc ba 98
word D: 76 54 32 10
2.4 Process Message in 16-Word Blocks
首先定义4个辅助函数,每个函数的输入是三个32位的字,输出是一个32位的字:
F(X,Y,Z) = XY v not(X) Z
G(X,Y,Z) = XZ v Y not(Z)
H(X,Y,Z) = X xor Y xor Z
I(X,Y,Z) = Y xor (X v not(Z))

NOTE:not(X)代表X的按位补运算,X v Y 表示X和Y的按位或运算,X xor Y代表X和Y的按位异或运算,XY代表X和Y的按位与运算。
具体过程如下:
1 / Process each 16-word block. /
2 For i = 0 to N/16-1 do
3
4 / Copy block i into X. /
5 For j = 0 to 15 do
6 Set X[j] to M[i16+j].
7 end /
of loop on j /
8
9 /
Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD. /
10 AA = A
11 BB = B
12 CC = C
13 DD = D
14
15 /
Round 1. /
16 /
Let [abcd k s i] denote the operation
17 a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T) <<< s). /
18 /
Do the following 16 operations. /
19 [ABCD 0 7 1] [DABC 1 12 2] [CDAB 2 17 3] [BCDA 3 22 4]
20 [ABCD 4 7 5] [DABC 5 12 6] [CDAB 6 17 7] [BCDA 7 22 8]
21 [ABCD 8 7 9] [DABC 9 12 10] [CDAB 10 17 11] [BCDA 11 22 12]
22 [ABCD 12 7 13] [DABC 13 12 14] [CDAB 14 17 15] [BCDA 15 22 16]
23
24 /
Round 2. /
25 /
Let [abcd k s i] denote the operation
26 a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T) <<< s). /
27 /
Do the following 16 operations. /
28 [ABCD 1 5 17] [DABC 6 9 18] [CDAB 11 14 19] [BCDA 0 20 20]
29 [ABCD 5 5 21] [DABC 10 9 22] [CDAB 15 14 23] [BCDA 4 20 24]
30 [ABCD 9 5 25] [DABC 14 9 26] [CDAB 3 14 27] [BCDA 8 20 28]
31 [ABCD 13 5 29] [DABC 2 9 30] [CDAB 7 14 31] [BCDA 12 20 32]
32
33 /
Round 3. /
34 /
Let [abcd k s t] denote the operation
35 a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T) <<< s). /
36 /
Do the following 16 operations. /
37 [ABCD 5 4 33] [DABC 8 11 34] [CDAB 11 16 35] [BCDA 14 23 36]
38 [ABCD 1 4 37] [DABC 4 11 38] [CDAB 7 16 39] [BCDA 10 23 40]
39 [ABCD 13 4 41] [DABC 0 11 42] [CDAB 3 16 43] [BCDA 6 23 44]
40 [ABCD 9 4 45] [DABC 12 11 46] [CDAB 15 16 47] [BCDA 2 23 48]
41
42 /
Round 4. /
43 /
Let [abcd k s t] denote the operation
44 a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T) <<< s). /
45 /
Do the following 16 operations. /
46 [ABCD 0 6 49] [DABC 7 10 50] [CDAB 14 15 51] [BCDA 5 21 52]
47 [ABCD 12 6 53] [DABC 3 10 54] [CDAB 10 15 55] [BCDA 1 21 56]
48 [ABCD 8 6 57] [DABC 15 10 58] [CDAB 6 15 59] [BCDA 13 21 60]
49 [ABCD 4 6 61] [DABC 11 10 62] [CDAB 2 15 63] [BCDA 9 21 64]
50
51 /
Then perform the following additions. (That is increment each
52 of the four registers by the value it had before this block
53 was started.) /
54 A = A + AA
55 B = B + BB
56 C = C + CC
57 D = D + DD
58
59 end /
of loop on i */
2.5 Output
报文摘要的产生后的形式为:A,B,C,D。也就是低位字节A开始,高位字节D结束。

  1. C++ Implementation
    有了上面5个步骤的算法描述,用C++实现起来就很直接了。需要注意的是在具体实现的时候上述5个步骤的顺序会有所变动,因为在大多数情况下我们都无法或很难提前计算出输入信息的长度b(如输入信息来自文件或网络)。因此在具体实现时Append Padding Bits和Append Length这两步会放在最后面。
  2. Test Suite
    由于实现代码比较长,在这里就不贴出来了,在本文后面会提供下载。MD5类的public接口如下:
    md5.h
    1 class MD5 {
    2 public:
    3 MD5();
    4 MD5(const void input, size_t length);
    5 MD5(const string &str);
    6 MD5(ifstream &in);
    7 void update(const void
    input, size_t length);
    8 void update(const string &str);
    9 void update(ifstream &in);
    10 const byte digest();
    11 string toString();
    12 void reset();
    13 …
    14 };
    下面简单介绍一下具体用法:
    1.计算字符串的MD5值
    下面的代码计算字符串”abc”的MD5值并用cout输出:
    1 MD5 md5;
    2 md5.update(“abc”);
    3 cout << md5.toString() << endl;
    4 //或者更简单点
    5 cout << MD5(“abc”).toString() << endl;
    2.计算文件的MD5值
    下面的代码计算文本文件”D:\test.txt”的MD5值并用cout输出,如果是二进制文件打开的时候记得要指定ios::binary模式。另外需要注意的是用来计算的文件必须存在,所以最好在计算前先判断下ifstream的状态。
    (本来判断ifstream是否有效不该是客户的责任,原本想在ifstream无效时用文件名做参数抛出FileNotFoundException之类的异常,后来却发现从ifstream中居然无法得到文件名…)
    1 MD5 md5;
    2 md5.update(ifstream(“D:\test.txt”));
    3 cout << md5.toString() << endl;
    4 //或者更简单点
    5 cout << MD5(ifstream(“D:\test.txt”)).toString() << endl;
    3.最基本的用法
    上面的用来计算字符串和文件MD5值的接口都是为了方便才提供的,其实最基本的接口是:
    void update(const void
    input, size_t length);
    update的另外两个重载都是基于它来实现的,下面的代码用上述接口来实现FileDigest函数,该函数用来计算文件的MD5值:
    1 string FileDigest(const string &file) {
    2
    3 ifstream in(file.c_str(), ios::binary);
    4 if (!in)
    5 return “”;
    6
    7 MD5 md5;
    8 std::streamsize length;
    9 char buffer[1024];
    10 while (!in.eof()) {
    11 in.read(buffer, 1024);
    12 length = in.gcount();
    13 if (length > 0)
    14 md5.update(buffer, length);
    15 }
    16 in.close();
    17 return md5.toString();
    18 }
    下面看看测试代码:
    test.cpp
    1 #include “md5.h”
    2 #include
    3
    4 using namespace std;
    5
    6 void PrintMD5(const string &str, MD5 &md5) {
    7 cout << “MD5(\”” << str << “\”) = “ << md5.toString() << endl;
    8 }
    9
    10 int main() {
    11
    12 MD5 md5;
    13 md5.update(“”);
    14 PrintMD5(“”, md5);
    15
    16 md5.update(“a”);
    17 PrintMD5(“a”, md5);
    18
    19 md5.update(“bc”);
    20 PrintMD5(“abc”, md5);
    21
    22 md5.update(“defghijklmnopqrstuvwxyz”);
    23 PrintMD5(“abcdefghijklmnopqrstuvwxyz”, md5);
    24
    25 md5.reset();
    26 md5.update(“message digest”);
    27 PrintMD5(“message digest”, md5);
    28
    29 md5.reset();
    30 md5.update(ifstream(“D:\test.txt”));
    31 PrintMD5(“D:\test.txt”, md5);
    32
    33 return 0;
    34 }
    测试结果:
    MD5(“”) = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
    MD5(“a”) = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
    MD5(“abc”) = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
    MD5(“abcdefghijklmnopqrstuvwxyz”) = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
    MD5(“message digest”) = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
    MD5(“D:\test.txt”) = 7ac66c0f148de9519b8bd264312c4d64
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