MD5对文件进行摘要加密

MD5对文件进行摘要加密

[摘要]MD5（Message-Digest Algorithm 5）90年代初由MIT Laboratory for computer science 和RSA Data Security inc的Ronald L．Rivest开发出来，经MD2、MD3和MD4发展而来。本文描述了MD5加密算法的原理及程序设计过程与程序实现，在参考RFC1321的基础上，把加密程序做成可视化窗口形式，以方便使用。

[关键词] MD5加密设计实现应用

1. 引言

MD (Message Digest)意为报文摘要。由Ron Riverst 于1990年作为RFC提出，1992年[RFC 1320，1321]公布了MD5算法的细节。其功能是对不定长的报文作出定长的“报文摘要”。

1.1 编写目的

本文描述了怎样实现MD5报文摘要算法的方法。

MD5有这样一个性质，杂凑码中的每一个比特都是所有输入比特的函数，因此获得了很好的混淆效果，从而不可能随机选择两个具有相同杂凑码的报文。

此算法将对输入的任意长度的信息进行计算，产生一个128位长度的“指纹”或“报文摘要”。

1.2 安全性分析

找出两个具有相同杂凑码的报文需要执行O(264)次运算；而寻找具有给定杂凑码的一个报文，要执行O(2128)次运算。

从密码分析的角度来看，要破解MD5运算结果，若用穷尽搜索方法，需进行O(264) 次运算，但用第Ⅱ类生日攻击，分析所需时间要短得多。因此认为MD5易受第Ⅱ类生日攻击的威胁。

1. 3 术语与符号

实现中，一个“字”是32位，一个“字节”是8位。一系列位串可看成是一系列字节的普通形式，其中的连续的8位看成一个字节，高位在前，同理一系列字节串可看成是一系列32位的字，其中每个连续的4个字节当作一个字，低位在前。“当前文件”或“当前文档”指在当前MD5加密程序窗口打开的文件

程序假定一个int型变量占一个“字”的内存空间，一个char型变量占一个“字节”的内存空间。

2. 程序说明

2.1 程序描述

本程序实现了MD5加密技术，对打开的文件或当前编辑的文件进行加密。程序主要通过菜单选项进行操作。

2.2 功能说明(功能模块结构)

2.3 算法说明

MD5加密算法对文件中的内容进行摘要运算，摘要的执行分为以下几个步骤：

第一步，补位：

MD5算法先对输入的数据进行补位，使得数据的长度(以byte为单位)对64求余的结果是56。即数据扩展至LEN=K*64+56个字节，K为整数。

补位方法：补一个1，然后补0至满足上述要求。相当于补一个0x80的字节，再补值为0的字节。这一步里总共补充的字节数为0～63个。

第二步，附加数据长度：

用一个64位的整数表示数据的原始长度(以bit为单位)，将这个数字的8个字节按低位的在前，高位在后的顺序附加在补位后的数据后面。这时，数据被填补后的总长度为：LEN =

K*64+56+8=(K+1)*64 Bytes。

第三步，初始化MD5参数：

有四个32位整数变量(A,B,C,D) 用来计算信息摘要，每一个变量被初始化成以下以十六进制数表示的数值，低位的字节在前面。

word A: 01 23 45 67

word B: 89 ab cd ef

word C: fe dc ba 98

word D: 76 54 32 10

低位的字节在前面指的是Little Endian平台上内存中字节的排列方式，而在程序中书写时，要

写成：

A=0x67452301

B=0xefcdab89

C=0x98badcfe

D=0x10325476

第四步，定义四个MD5基本的按位操作函数：

X，Y，Z为32位整数。

F(X,Y,Z) = (X and Y) or (not(X) and Z)

G(X,Y,Z) = (X and Z) or (Y and not(Z))

H(X,Y,Z) = X xor Y xor Z

I(X,Y,Z) = Y xor (X or not(Z))

再定义四个分别用于四轮变换的函数。设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），<

FF(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(F(b,c,d)+Mj+ti)<

GG(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(G(b,c,d)+Mj+ti)<

HH(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(H(b,c,d)+Mj+ti)<

I I(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(I(b,c,d)+Mj+ti)<

第五步，对输入数据作变换。

处理数据，N是总的字节数，以64个字节为一组，每组作一次循环，每次循环进行四轮操作。要变换的64个字节用16个32位的整数数组M[0 ...15]表示。而数组T[1 ... 64]表示一组常数，T 为4294967296*abs(sin(i))的32位整数部分，i的单位是弧度,i的取值从1到64。具体过程如下：

/* 设置主循环变量 */

For (i = 0；i< =N/16-1;i++ )

{

/*每循环一次，把数据原文存放在16个元素的数组X中. */

For( j = 0;j<=15 ;j++)

Set X[j] to M[i*16+j].

AA = A

BB = B

CC = C

DD = D

/* 第1轮*/

/* 以 [abcd k s i]表示如下操作

a =

b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T) << s) */

/*做以下运算*/

[ABCD 0 7 1] [DABC 1 12 2] [CDAB 2 17 3] [BCDA 3 22 4]

[ABCD 4 7 5] [DABC 5 12 6] [CDAB 6 17 7] [BCDA 7 22 8]

[ABCD 8 7 9] [DABC 9 12 10] [CDAB 10 17 11] [BCDA 11 22 12]

[ABCD 12 7 13] [DABC 13 12 14] [CDAB 14 17 15] [BCDA 15 22 16]

/* 第2轮 */

[ABCD 1 5 17] [DABC 6 9 18] [CDAB 11 14 19] [BCDA 0 20 20]

[ABCD 5 5 21] [DABC 10 9 22] [CDAB 15 14 23] [BCDA 4 20 24]

[ABCD 9 5 25] [DABC 14 9 26] [CDAB 3 14 27] [BCDA 8 20 28]

[ABCD 13 5 29] [DABC 2 9 30] [CDAB 7 14 31] [BCDA 12 20 32]

/* 第3轮*/

[ABCD 5 4 33] [DABC 8 11 34] [CDAB 11 16 35] [BCDA 14 23 36]

[ABCD 1 4 37] [DABC 4 11 38] [CDAB 7 16 39] [BCDA 10 23 40]

[ABCD 13 4 41] [DABC 0 11 42] [CDAB 3 16 43] [BCDA 6 23 44]

[ABCD 9 4 45] [DABC 12 11 46] [CDAB 15 16 47] [BCDA 2 23 48]

/* 第4轮*/

[ABCD 0 6 49] [DABC 7 10 50] [CDAB 14 15 51] [BCDA 5 21 52]

[ABCD 12 6 53] [DABC 3 10 54] [CDAB 10 15 55] [BCDA 1 21 56]

[ABCD 8 6 57] [DABC 15 10 58] [CDAB 6 15 59] [BCDA 13 21 60]

[ABCD 4 6 61] [DABC 11 10 62] [CDAB 2 15 63] [BCDA 9 21 64]

/* 然后进行如下操作 */

A = A + AA

B = B + BB

C = C + CC

D = D + DD

}

第六步，测试结果。

3. 程序设计

3.1 新建文件

在程序初始化时创建子窗口，含有一个空白文档，并带有滚动条。可以在窗口中进行文本编辑。static HWND hwndEdit ；

hwndEdit = CreateWindow (TEXT ("edit"), NULL,

WS_CHILD | WS_VISIBLE |WS_HSCROLL | WS_VSCROLL |WS_BORDER| ES_LEFT |

ES_MULTILINE | ES_NOHIDESEL | ES_AUTOHSCROLL | ES_AUTOVSCROLL, 0, 0, 0, 0, hwnd, (HMENU) EDITID, hInst, NULL)；

设置两个变量用来存放当前文件的路径与文件名。新建文件时把当前文件的内容置为空，并把

当前文档的路径、文件名置为空值。便相当于创建了一人个新文档。

static TCHA R szFileName[MAX_PATH], szTitleName[MAX_PATH] ；

SetWindowText (hwndEdit, TEXT ("\0")) ;

szFileName[0] = '\0' ;

szTitleName[0] = '\0' ;

在对当前文档进行置空之前还必须先询问是否保存当前文件，根据用户选项进行保存或放弃保存操作。

short AskAboutSave (HWND hwnd, TCHA R * szTitleName)；

3.2 打开文件

当打开一个文件时，先要初始化一个OPENFILENAME结构(全局或静态)，用于存储打开、保存文件时的一些信息。程序中这个结构在创建窗口时对其进行初始化。

static OPENFILENAME ofn ；

void PopFileInitialize (HWND hwnd)

{

static TCHAR szFilter[] = TEXT ("Text Files (*.TXT)\0*.txt\0")\

TEXT ("ASCII Files (*.ASC)\0*.asc\0") \

TEXT ("All Files (*.*)\0*.*\0\0") ;

ofn.lStructSize = sizeof (OPENFILENAME) ;

ofn.hwndOwner = hwnd ;

ofn.hInstance = NULL ;

ofn.lpstrFilter = szFilter ;

ofn.lpstrCustomFilter = NULL ;

ofn.nMaxCustFilter = 0 ;

ofn.nFilterIndex = 0 ;

ofn.lpstrFile = NULL ; // Set in Open and Close functions

ofn.nMaxFile = MAX_PATH ;

ofn.lpstrFileTitle = NULL ;// Set in Open and Close functions

ofn.nMaxFileTitle = MAX_PATH ;

ofn.lpstrInitialDir = NULL ;

ofn.lpstrTitle = NULL ;

ofn.Flags = 0 ; // Set in Open and Close functions

ofn.nFileOffset = 0 ;

ofn.nFileExtension = 0 ;

ofn.lpstrDefExt = TEXT ("txt") ;

ofn.lCustData = 0L ;

ofn.lpfnHook = NULL ;

结构中各数据项在调用打开/保存文件对话框时进行设置。要打开一个文件，首先调用“打开文件”对话框函数PopFileOpenDlg()，获取用户输入的文件路径与文件名。程序对文件进行读入操

3.3 保存文件

程序用了一个变量来指示当前文档内容是否有改动，文档的内容进行了改动则bNeedSave置为TRUE。

static BOOL bNeedSave = FA LSE ；

保存文件时调用“保存文件”对话框函数PopFileSaveDlg()获取保存路径与文件名。调用PopFileWrite()函数把文本内容写入硬盘。

if (PopFileSaveDlg (hwnd, szFileName, szTitleName))

{

DoCaption (hwnd, szTitleName) ;

if (PopFileWrite (hwndEdit, szFileName))

{

bNeedSave = FALSE ;

return 1 ;

}

else

{

OkMessage (hwnd, TEXT ("Could not write file %s"),

szTitleName) ;

return 0 ;

}

3.4 文件加密

文件加密技术实现是本程序的核心。加密工作由MDFile()函数完成。首先获取当前文件内容长度(字节数)，然后申请堆空间，把文本内容读入堆空间。

length = GetWindowTextLength (hwndEdit)；

pstrBuffer = (POINTER) malloc ((length + 1) * sizeof (unsigned char))；

GetWindowText (hwndEdit, pstrBuffer, length + 1)；

但在本程序中只能显示纯文本格式的文件，而打开其它格式（如EXE、RA R等文件）的文件时不能正确显示，所以可以从硬盘中把原文件读入进行加密，即使文件不能在当前窗口显示，但仍可以对其进行加密。

if (INVALID_HANDLE_VALUE == (hFile= CreateFile (pstrFileName, GENERIC_READ,

FILE_SHARE_READ,NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL)))

{

OkMessage (hwnd, TEXT("could not open file %s"), pstrFileName);

exit(1);

}

length = GetFileSize (hFile, NULL) ;

if((pstrBuffer = (POINTER) malloc (length + 2)) == NULL)

{

OkMessage (hwnd, TEXT("could not get memory"),NULL);

exit(1);

}

ReadFile (hFile, pstrBuffer, length, &dwBytesRead, NULL) ;

CloseHandle (hFile) ;

pstrBuffer[length] = '\0' ;

pstrBuffer[length + 1] = '\0';

此时，把菜单中的“保存”选项变成不可用的灰色,以免有误操作。

EnableMenuItem(hMenu,IDM_FILE_SA VE,MF_GRA YED);

然后用2.3节描述的算法对文本进行加密，结果存入digest (unsigned char digest[16]）数组中。

MD5Update()调用杂凑函数HashFunct()对数据进行变换、加密。对于不足512位的数据，则交给MD5Final()函数补位后再作变换。这里只对64字节整倍数的数据进行变换，尾部不足512位

HashFunct()对输入的64字节（512位）数据进行四轮64次变换，对应2.3节第五步。

HashFunct (unsigned long state[4], unsigned char block[64])；

4. 程序测试

MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e

MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661

MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72

MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0

MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b

MD5("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW XYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789")

=d174ab98d277d9f5a5611c2c9f419d9f

MD5("123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345 67890") = 57edf4a22be3c955ac49da2e2107b67a

总结

MD5是一种信息摘要算法，它可以对文件产生一个唯一的MD5验证码。MD5比MD4稍微慢一些，但却更为安全。MD5的典型应用是对一段信息（message）产生信息摘要（message-digest），以防止被篡改。

MD5广泛用于网络传输中，以确认文件的完整性。MD5还可以应用于数字签名中。MD5还广泛用于加密和解密技术上，用MD5加密技术以确认密码是否正确。