前言

MD5 算法在90年代被广泛使用在各种程序语言中，用以确保资料传递无误等。但是在1996年被证明存在弱点，是可以被破解的。但是其优势是十分的明显的，比如说稳定和快速，所以我们仍然可将其用于普通数据的错误检查领域。

1. 什么是 MD5 ?

MD5消息算法摘要 (英语：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。MD5由美国密码学家罗纳德·李维斯特（Ronald Linn Rivest）设计，于1992年公开，用以取代MD4算法。（来源于维基百科）

2. MD5算法的特点

MD5算法具有以下特点：

• 压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的。
• 容易计算：从 原数据 计算出MD5值很容易。
• 抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。
• 强抗碰撞：已知 原数据 和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据（即伪造数据）是非常困难的。

3. MD5的应用

MD5可以用在文件传输方面。具体来说就是，服务器会把文件进行MD5处理，提供一个MD5校验和，用户下载文件之后，可以使用MD5算法计算下载文件的校验和，通过对比，我们就可以知道文件传输过程中，是否出现了错误。

MD5算法甚至可以用于博彩，可以保证博彩的公平性。

4. MD5算法的底层原理

MD5算法用512位分组来处理用户输入的信息，每一个分组将会被划分成16个32位的子分组。经过一系列处理后，算法的输出由四个32位的输出组成，最后再把这四个32位的分组进行连接形成128位的散列值。

MD5算法大概可以分为以下四步：原文处理，设置初始值，循环加工，拼接结果。下面我们进行详细的分析。

4.1 原文处理

由于用户输入的信息的长度不一致，所以我们需要对其进行处理，对其进行补位。MD5算法的原理是：用输入的长度对448取余，不足448的进行补位，填充的方法是第一位补1，其他位补0。经过补位后，现在的长度为512*N+448。事实上，补位之后的结果已经不能代表真正的 字符串 ，所以我们还需要记录下原来字符串的长度，方法是用（512-448=64）来记录实际的长度。

经过上面的处理之后，我们处理之后的信息的长度为512*(N+1)。

4.2 设置初始值

MD5的hash结果为128位，可分为ABCD四组，每组为32位，都有其初始值。MD5算法的官方实现中，ABCD的初始值如下：

• A=0x01234567
• B=0x89ABCDEF
• C=0xFEDCBA98
• D=0x76543210

4.3 循环加工

这一步是最为复杂的一步。我们先来看一张来自维基百科的图。下面这张图详细展示了ABCD的值是如何发生变化的。

在每一次循环中，旧的ABCD都会产生新的ABCD，那么总共需要循环多少次呢？这个具体要由在 4.1 中处理之后的长度来决定。

假设我们处理之后的长度为M，那么主循环的次数为M / 512，每个主循环中包括512/32*4=64次子循环。上面的图展示的是每次子循环的步骤，下面对上图进行详细的解释：

1. 绿色F：

图中的绿色F，代表非线性函数。官方MD5所用到的函数有四种：

• 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))

（&是与（And），|是或（Or），~是非（Not），^是异或（Xor））

在每个主循环中都要进行64次子循环，FGHI四个函数将会交替使用，每个使用16次。

2. 红色的“田”字

红色的“田”代表相加。

3. Mi

Mi和原文相关，处理后原文的长度是512的整数倍。把原文的每512位再分成16等份，命名为M0~M15，每一等份长度32。在64次子循环中，每16次循环，都会交替用到M1~M16之一。

4. Ki

一个常量，在64次子循环中，每一次用到的常量都是不同的。

5.黄色的<<<S

左移S位，S的值也是常量。值得注意的是：这里的左移表示的循环左移。

总结

经过上面的变化之后，计算的结果和B相加，然后取代原来的B。

新的ABCD的产生过程为：

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

总结一下主循环中的64次子循环，可以归纳为下面的四部分：

FF(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+F(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)
​
第一轮：
​
 FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478） s[0]=7, K[0] = 0xd76aa478
​
　　FF(a,b,c,d,M1,12,0xe8c7b756） s[1]=12, K[1] = 0xe8c7b756 
​
　　FF(a,b,c,d,M2,17,0x242070db)
​
　　FF(a,b,c,d,M3,22,0xc1bdceee)
​
　　FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)
​
　　FF(a,b,c,d,M5,12,0x4787c62a)
​
　　FF(a,b,c,d,M6,17,0xa8304613）
​
　　FF(a,b,c,d,M7,22,0xfd469501）
​
　　FF(a,b,c,d,M8,7,0x698098d8）
​
　　FF(a,b,c,d,M9,12,0x8b44f7af)
​
　　FF(a,b,c,d,M10,17,0xffff5bb1）
​
　　FF(a,b,c,d,M11,22,0x895cd7be)
​
　　FF(a,b,c,d,M12,7,0x6b901122）
​
　　FF(a,b,c,d,M13,12,0xfd987193）
​
　　FF(a,b,c,d,M14,17, 0xa679438e)
​
　　FF(a,b,c,d,M15,22,0x49b40821）
​
　　第二轮：
​
　　GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562）
​
　　GG(a,b,c,d,M6,9,0xc040b340）
​
　　GG(a,b,c,d,M11,14,0x265e5a51）
​
　　GG(a,b,c,d,M0,20,0xe9b6c7aa)
​
　　GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)
​
　　GG(a,b,c,d,M10,9,0x02441453）
​
　　GG(a,b,c,d,M15,14,0xd8a1e681）
​
　　GG(a,b,c,d,M4,20,0xe7d3fbc8）
​
　　GG(a,b,c,d,M9,5,0x21e1cde6）
​
　　GG(a,b,c,d,M14,9,0xc33707d6）
​
　　GG(a,b,c,d,M3,14,0xf4d50d87）
​
　　GG(a,b,c,d,M8,20,0x455a14ed)
​
　　GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905）
​
　　GG(a,b,c,d,M2,9,0xfcefa3f8）
​
　　GG(a,b,c,d,M7,14,0x676f02d9）
​
　　GG(a,b,c,d,M12,20,0x8d2a4c8a)
​
　　第三轮：
​
　　HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942）
​
　　HH(a,b,c,d,M8,11,0x8771f681）
​
　　HH(a,b,c,d,M11,16,0x6d9d6122）
​
　　HH(a,b,c,d,M14,23,0xfde5380c)
​
　　HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44）
​
　　HH(a,b,c,d,M4,11,0x4bdecfa9）
​
　　HH(a,b,c,d,M7,16,0xf6bb4b60）
​
　　HH(a,b,c,d,M10,23,0xbebfbc70）
​
　　HH(a,b,c,d,M13,4,0x289b7ec6）
​
　　HH(a,b,c,d,M0,11,0xeaa127fa)
​
　　HH(a,b,c,d,M3,16,0xd4ef3085）
​
　　HH(a,b,c,d,M6,23,0x04881d05）
​
　　HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039）
​
　　HH(a,b,c,d,M12,11,0xe6db99e5）
​
　　HH(a,b,c,d,M15,16,0x1fa27cf8）
​
　　HH(a,b,c,d,M2,23,0xc4ac5665）
​
　　第四轮：
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M0,6,0xf4292244）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M7,10,0x432aff97）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M14,15,0xab9423a7）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M5,21,0xfc93a039）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M12,6,0x655b59c3）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M3,10,0x8f0ccc92）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M10,15,0xffeff47d)
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M1,21,0x85845dd1）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M8,6,0x6fa87e4f)
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M15,10,0xfe2ce6e0)
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M6,15,0xa3014314）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M13,21,0x4e0811a1）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M11,10,0xbd3af235）
​
　　Ⅱ（a,b,c,d,M2,15,0x2ad7d2bb)
　　
　　Ⅱ（a,b,c,d,M9,21,0xeb86d391）
 

上面的步骤完成之后，将abcd在原来的基础上分别加上ABCD。即a = a + A，b = b + B，c = c + C，d = d + D。然后就可以使用下一组分组数据继续进行计算。

4.4 拼接结果

最后一步很简单，把最终产生的ABCD，拼接在一块即可。

5. md5加密字符串实例

现以字符串“jklmn”为例。该字符串在内存中表示为（字母对应的ASCII码）：

6A 6B 6C 6D 6E（从左到右为低地址到高地址，后同），信息长度为40（8*5=40） bits， 即0x28。

对其填充，填充至448位，即56字节。结果为：

6A 6B 6C 6D 6E 80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

关于80：第一位为1，其他皆为0，我们只需看第一个字节，即二 进制 位10000000，转换成16进制即为80。

剩下64位，即8字节填充填充前信息位长，按小端字节序填充剩下的8字节(16进制的28表示原来的字符串长度)，结果为。

6A 6B 6C 6D 6E 80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 28 00 00 00 00 00 00 00

（64字节，512 bits）

初始化A、B、C、D四个变量。

将这64字节填充后数据分成16个小组（程序中对应为16个数组），即：

M0：6A 6B 6C 6D （这是内存中的顺序，按照小端字节序原则，对应数组M(0)的值为0x6D6C6B6A，下同）

M1：6E 80 00 00

M2：00 00 00 00

…..

M14：28 00 00 00

M15：00 00 00 00

经过“3. 分组数据处理”后，a、b、c、d值分别为0xD8523F60、0x837E0144、0x517726CA、0x1BB6E5FE

在内存中为a：60 3F 52 D8

b：44 01 7E 83

c：CA 26 77 51

d：FE E5 B6 1B

a、b、c、d按内存顺序输出即为最终结果：603F52D844017E83CA267751FEE5B61B。这就是字符串“jklmn”的MD5值。

6. java实现MD5算法

public class MD5 {
 /*
 * 四个链接变量
 */ private final int A = 0x67452301;
 private final int B = 0xefcdab89;
 private final int C = 0x98badcfe;
 private final int D = 0x10325476;
 /*
 * ABCD的临时变量
 */ private int Atemp, Btemp, Ctemp, Dtemp;
​
 /*
 * 常量ti公式:floor(abs(sin(i+1))×(2pow32)
 */ private final int K[] = { 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 };
 /*
 * 向左位移数,计算方法未知
 */ private final int s[] = { 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 };
​
 /*
 * 初始化函数
 */ private void init() {
 Atemp = A;
 Btemp = B;
 Ctemp = C;
 Dtemp = D;
 }
​
 /*
 * 移动一定位数
 */ private int shift(int a, int s) {
 return (a << s) | (a >>> (32 - s));// 右移的时候，高位一定要补零，而不是补充符号位
 }
​
 /*
 * 主循环
 */ private void MainLoop(int M[]) {
 int F, g;
 int a = Atemp;
 int b = Btemp;
 int c = Ctemp;
 int d = Dtemp;
 for (int i = 0; i < 64; i++) {
 if (i < 16) {
 F = (b & c) | ((~b) & d);
 g = i;
 } else if (i < 32) {
 F = (d & b) | ((~d) & c);
 g = (5 * i + 1) % 16;
 } else if (i < 48) {
 F = b ^ c ^ d;
 g = (3 * i + 5) % 16;
 } else {
 F = c ^ (b | (~d));
 g = (7 * i) % 16;
 }
 int tmp = d;
 d = c;
 c = b;
 b = b + shift(a + F + K[i] + M[g], s[i]);
 a = tmp;
 }
 Atemp = a + Atemp;
 Btemp = b + Btemp;
 Ctemp = c + Ctemp;
 Dtemp = d + Dtemp;
​
 }
​
 /*
 * 填充函数处理后应满足bits≡448(mod512),字节就是bytes≡56（mode64)填充方式为先加一个1,其它位补零
 * 最后加上64位的原来长度
 */ private int[] add(String str) {
 int num = ((str.length() + 8) / 64) + 1;// 分组，以512位，64个字节为一组
 int strByte[] = new int[num * 16];// 64/4=16，所以有16个整数，ABCD
 for (int i = 0; i < num * 16; i++) {// 全部初始化0
 strByte[i] = 0;
 }
 int i;
 for (i = 0; i < str.length(); i++) {
 strByte[i >> 2] |= str.charAt(i) << ((i % 4) * 8);// 一个整数存储四个字节，小端序
 }
 strByte[i >> 2] |= 0x80 << ((i % 4) * 8);// 尾部添加1
 /*
 * 添加原长度，长度指位的长度，所以要乘8，然后是小端序，所以放在倒数第二个,这里长度只用了32位
 */ strByte[num * 16 - 2] = str.length() * 8;
 return strByte;
 }
​
 /*
 * 调用函数
 */ public String getMD5(String source) {
 init();
 int strByte[] = add(source);
 for (int i = 0; i < strByte.length / 16; i++) {
 int num[] = new int[16];
 for (int j = 0; j < 16; j++) {
 num[j] = strByte[i * 16 + j];
 }
 MainLoop(num);
 }
 return changeHex(Atemp) + changeHex(Btemp) + changeHex(Ctemp)
 + changeHex(Dtemp);
​
 }
​
 /*
 * 整数变成16进制字符串
 */ private String changeHex(int a) {
 String str = "";
 for (int i = 0; i < 4; i++) {
 str += String.format("%2s",
 Integer.toHexString(((a >> i * 8) % (1 << 8)) & 0xff)).replace(' ', '0');
 }
 return str;
 }
​
 /*
 * 单例
 */ private static MD5 instance;
 public static MD5 getInstance() {
 if (instance == null) {
 instance = new MD5();
 }
 return instance;
 }
​
 private MD5() {
 };
}
 

7. 总结

经过上面的学习，我们已经详细的了解了MD5算法的历史，特点，应用，实现原理。其中，实现原理是十分重要的。这四步我们需要牢记，分别为原文处理，初始值，循环加工和拼接。其中，循环加工是最为复杂的，也是MD5的核心。

然后我们还举了一个例子，比较详细的讲解了MD5的加密过程。

最后，我们用java代码实现了MD5加密算法。