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MD5简介

MD5（Message Digest Algorithm 5）是一种广泛使用的哈希函数，由 Ronald Rivest 于1991 年设计。它可以将任意长度的数据映射为一个固定长度（128 位，即 16 字节）的哈希值，通常以 32 个十六进制字符的形式表示。MD5 主要用于验证数据的完整性如文件校验、密码存储。

MD5 的特点

1. 固定输出长度：
   • MD5 生成的哈希值始终是 128 位即16 字节，无论输入数据的长度是多少。
2. 不可逆性：
   • 从哈希值无法反推出原始数据。
3. 雪崩效应：
   • 输入数据的微小变化会导致输出哈希值的巨大变化。
4. 高效性：
   • MD5 的计算速度非常快，适合处理大量数据。
5. 碰撞问题：
   • MD5 存在碰撞风险，即不同的输入可能生成相同的哈希值。因此，MD5 不再被推荐用于安全性要求较高的场景。

MD5 的应用场景

1. 文件完整性校验：
   • 通过比较文件的 MD5 值，可以验证文件是否被篡改。
2. 密码存储：
   • 早期用于存储用户密码的哈希值，但由于碰撞问题，现已被更安全的算法（如 bcrypt、SHA-256）取代。
3. 数据去重：
   • 通过比较数据的 MD5 值，可以快速判断数据是否重复。
4. 数字签名：
   • 用于生成数据的唯一标识。

MD5 的工作原理

MD5 的计算过程可以分为以下几个步骤：

1. 填充数据

• 将输入数据的长度填充至 448 位（56 字节）的倍数。
• 填充方式：在数据末尾添加一个 1，然后添加若干个 0，最后添加一个 64 位的整数，表示原始数据的长度。

2. 初始化状态变量

• MD5 使用 4 个 32 位的状态变量（A, B, C, D），初始值为：

  A = 0x67452301
  B = 0xEFCDAB89
  C = 0x98BADCFE
  D = 0x10325476
  

3. 分块处理

• 将填充后的数据分割成若干个 512 位（64 字节）的块。
• 对每个块进行 4 轮处理，每轮包含 16 次操作。

4. 四轮变换

• 每轮使用不同的非线性函数（F, G, H, I）和常数表，对状态变量进行更新。
• 四轮变换的顺序如下：
  1. F 轮：F(x, y, z) = (x & y) | (~x & z)
  2. G 轮：G(x, y, z) = (x & z) | (y & ~z)
  3. H 轮：H(x, y, z) = x ^ y ^ z
  4. I 轮：I(x, y, z) = y ^ (x | ~z)

5. 输出哈希值

• 将最终的 4 个状态变量（A, B, C, D）按小端序拼接，生成 128 位的哈希值。

MD5 的伪代码

以下是 MD5 算法的简化伪代码：

Input: 数据 data
Output: 128 位的哈希值1. 填充数据：- 在 data 末尾添加 1 和若干个 0，使其长度 ≡ 448 mod 512- 在末尾添加 64 位的原始数据长度2. 初始化状态变量：A = 0x67452301B = 0xEFCDAB89C = 0x98BADCFED = 0x103254763. 对每个 512 位块进行处理：- 将块分割为 16 个 32 位字- 进行 4 轮变换（F, G, H, I）4. 输出哈希值：- 将 A, B, C, D 按小端序拼接- 转换为 32 个十六进制字符

MD5 的代码实现

以下是 MD5 的 C 语言实现的核心部分：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>// MD5 状态变量
typedef struct {uint32_t state[4];  // A, B, C, Duint8_t buffer[64]; // 缓冲区uint64_t length;    // 数据长度
} MD5_CTX;// 初始化 MD5 上下文
void MD5_Init(MD5_CTX *ctx) {ctx->state[0] = 0x67452301;ctx->state[1] = 0xEFCDAB89;ctx->state[2] = 0x98BADCFE;ctx->state[3] = 0x10325476;ctx->length = 0;
}// 更新 MD5 上下文
void MD5_Update(MD5_CTX *ctx, const uint8_t *data, size_t len) {// 处理数据块
}// 生成最终的 MD5 哈希值
void MD5_Final(MD5_CTX *ctx, uint8_t digest[16]) {// 填充数据并生成哈希值
}// 计算数据的 MD5 值
void MD5(const uint8_t *data, size_t len, uint8_t digest[16]) {MD5_CTX ctx;MD5_Init(&ctx);MD5_Update(&ctx, data, len);MD5_Final(&ctx, digest);
}

MD5 的优缺点

优点：

1. 计算速度快：适合处理大量数据。
2. 固定输出长度：便于存储和比较。

缺点：

1. 碰撞问题：不同的输入可能生成相同的哈希值。
2. 安全性不足：不再适合用于密码存储或数字签名。