MD5算法之C#程序 MD5算法描述

当我要写一个MD5算法的程序时，发现中英文的语言描述都有一些不确切的地方，某些个细节
讲得不清楚，或者说很费解。最后不得不拿出C语言的源程序来调试，这对于理解算法是很不
利的。于是就总结了一下我摸索到的一些要点。

1.来历
MD5的全称是message-digest algorithm 5(信息-摘要算法，在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。http://www.ietf.org/rfc/rfc1321.txt，是一份最权威的文档，
由ronald l. rivest在1992年8月向ieft提交。

2.用途
MD5的作用是对一段信息(message)生成信息摘要(message-digest)，该摘要对该信息具有
唯一性,可以作为数字签名。用于验证文件的有效性(是否有丢失或损坏的数据),对用户
密码的加密，在哈希函数中计算散列值。

3.特点
输入一个任意长度的字节串，生成一个128位的整数。由于算法的某些不可逆特征，在加密应用
上有较好的安全性。并且，MD5算法的使用不需要支付任何版权费用。

4.说明
唯一性和不可逆性都不是绝对的，从理论上分析是一种多对一的关系，但两个不同的信息产生
相同摘要的概率很小。不可逆是指从输出反推输入所需的运算量和计算时间太大，使用穷搜字
典的方法又需要太多的存储空间。

5.算法描述

算法输入是一个字节串，每个字节是8个bit.
算法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。

※注意那个64位整数是输入数据的原始长度而不是填充字节后的长度,我就在这里栽了跟头.

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
※注意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），<<<s表示循环左移s位，则四种操作为：
  FF(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(F(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)
  GG(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(G(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)
  HH(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(H(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)
  II(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+(I(b,c,d)+Mj+ti)<<<s)

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[i]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 to N/16-1 do

/*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 to 15 do
Set X[j] to M[i*16+j].
end /结束对J的循环

/* Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD.
*/
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[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[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* */
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + G(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[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*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + H(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[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*/
/* 以 [abcd k s i]表示如下操作
a = b + ((a + I(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s). */
/* Do the following 16 operations. */
[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

Next i /* 结束对I的循环*/

第六步，输出结果。
A，B，C，D连续存放，共16个字节，128位。按十六进制依次输出这个16个字节。

最后，用程序语言实现算法后，可以输入以下几个信息对程序作一个简单的测试，
看看程序有没有错误。
　MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
　MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661
　MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72
　MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0
　MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b
　MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789") =
d174ab98d277d9f5a5611c2c9f419d9f
  MD5 ("123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789
01234567890") = 57edf4a22be3c955ac49da2e2107b67a

MD5算法之C#程序

MD5算法比较特别，最适合用汇编语言来写，好多高级语言对之无能无力或效率极低。
比如我最开始尝试用Python和Euphoria编写，发现不太容易。相比而言，C#作为C家簇
中新兴的一门.net语言，功能比较全面。花了一晚上的工夫终于用C#最先实现了MD5。
主要是由于对算法的一些细节不太注意，结果输出总是不对，调试了好长时间。

[code]
//源文件：md5.cs
// MD5 Alogrithm
// by rufi 2004.6.20 http://rufi.yculblog.com/
using System;
using System.Collections;
using System.IO;

public class MD5 {
  //static state variables
  private static UInt32 A;
  private static UInt32 B;
  private static UInt32 C;
  private static UInt32 D;

  //number of bits to rotate in tranforming
  private const int  S11 = 7;
  private const int  S12 = 12;
  private const int  S13 = 17;
  private const int  S14 = 22;
  private const int  S21 = 5;
  private const int  S22 = 9;
  private const int  S23 = 14;
  private const int  S24 = 20;
  private const int  S31 = 4;
  private const int  S32 = 11;
  private const int  S33 = 16;
  private const int  S34 = 23;
  private const int  S41 = 6;
  private const int  S42 = 10;
  private const int  S43 = 15;
  private const int  S44 = 21;

  /* F, G, H and I are basic MD5 functions.
   * 四个非线性函数:
   *
   * 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))
   *
   * （&与，|或，~非，^异或）
   */
  private static UInt32 F(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
    return (x&y)|((~x)&z);
  }
  private static UInt32 G(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
    return (x&z)|(y&(~z));
  }
  private static UInt32 H(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
    return x^y^z;
  }
  private static UInt32 I(UInt32 x,UInt32 y,UInt32 z){
    return y^(x|(~z));
  }

  /* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4.
   * Rotation is separate from addition to prevent recomputation.
   */
  private static void FF(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
    a = a + F(b,c,d) + mj + ti;
    a = a << s | a >> (32-s);
    a += b;
  }
  private static void GG(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
    a = a + G(b,c,d) + mj + ti;
    a = a << s | a >> (32-s);
    a += b;
  }
  private static void HH(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
    a = a + H(b,c,d) + mj + ti;
    a = a << s | a >> (32-s);
    a += b;
  }
  private static void II(ref UInt32 a,UInt32 b,UInt32 c,UInt32 d,UInt32 mj,int s,UInt32 ti){
    a = a + I(b,c,d) + mj + ti;
    a = a << s | a >> (32-s);
    a += b;
  }

  private static void MD5_Init(){
    A=0x67452301;  //in memory, this is 0x01234567
    B=0xefcdab89;  //in memory, this is 0x89abcdef
    C=0x98badcfe;  //in memory, this is 0xfedcba98
    D=0x10325476;  //in memory, this is 0x76543210
  }

  private static UInt32[] MD5_Append(byte[] input){
    int zeros=0;
    int ones =1;
    int size=0;
    int n = input.Length;
    int m = n%64;
    if( m < 56 ){
      zeros = 55-m;
      size=n-m+64;
    }
    else if (m==56){
      zeros = 0;
      ones = 0;
      size=n+8;
    }
    else{
      zeros = 63-m+56;
      size=n+64-m+64;
    }

    ArrayList bs = new ArrayList(input);
    if(ones==1){
      bs.Add( (byte)0x80 ); // 0x80 = $10000000
    }
    for(int i=0;i<zeros;i++){
      bs.Add( (byte)0 );
    }

    UInt64 N = (UInt64) n * 8;
    byte h1=(byte)(N&0xFF);
    byte h2=(byte)((N>>8)&0xFF);
    byte h3=(byte)((N>>16)&0xFF);
    byte h4=(byte)((N>>24)&0xFF);
    byte h5=(byte)((N>>32)&0xFF);
    byte h6=(byte)((N>>40)&0xFF);
    byte h7=(byte)((N>>48)&0xFF);
    byte h8=(byte)(N>>56);
    bs.Add(h1);
    bs.Add(h2);
    bs.Add(h3);
    bs.Add(h4);
    bs.Add(h5);
    bs.Add(h6);
    bs.Add(h7);
    bs.Add(h8);
    byte[] ts=(byte[])bs.ToArray(typeof(byte));

    /* Decodes input (byte[]) into output (UInt32[]). Assumes len is
     * a multiple of 4.
     */
    UInt32[] output = new UInt32[size/4];
    for(Int64 i=0,j=0;i<size;j++,i+=4){
      output[j]=(UInt32)(ts[i] | ts[i+1]<<8 | ts[i+2]<<16 | ts[i+3]<<24);
    }
    return output;
  }
  private static UInt32[] MD5_Trasform(UInt32[] x){

    UInt32 a,b,c,d;

    for(int k=0;k<x.Length;k+=16){
      a=A;
      b=B;
      c=C;
      d=D;
   
      /* Round 1 */
      FF (ref a, b, c, d, x[k+ 0], S11, 0xd76aa478); /* 1 */
      FF (ref d, a, b, c, x[k+ 1], S12, 0xe8c7b756); /* 2 */
      FF (ref c, d, a, b, x[k+ 2], S13, 0x242070db); /* 3 */
      FF (ref b, c, d, a, x[k+ 3], S14, 0xc1bdceee); /* 4 */
      FF (ref a, b, c, d, x[k+ 4], S11, 0xf57c0faf); /* 5 */
      FF (ref d, a, b, c, x[k+ 5], S12, 0x4787c62a); /* 6 */
      FF (ref c, d, a, b, x[k+ 6], S13, 0xa8304613); /* 7 */
      FF (ref b, c, d, a, x[k+ 7], S14, 0xfd469501); /* 8 */
      FF (ref a, b, c, d, x[k+ 8], S11, 0x698098d8); /* 9 */
      FF (ref d, a, b, c, x[k+ 9], S12, 0x8b44f7af); /* 10 */
      FF (ref c, d, a, b, x[k+10], S13, 0xffff5bb1); /* 11 */
      FF (ref b, c, d, a, x[k+11], S14, 0x895cd7be); /* 12 */
      FF (ref a, b, c, d, x[k+12], S11, 0x6b901122); /* 13 */
      FF (ref d, a, b, c, x[k+13], S12, 0xfd987193); /* 14 */
      FF (ref c, d, a, b, x[k+14], S13, 0xa679438e); /* 15 */
      FF (ref b, c, d, a, x[k+15], S14, 0x49b40821); /* 16 */

      /* Round 2 */
      GG (ref a, b, c, d, x[k+ 1], S21, 0xf61e2562); /* 17 */
      GG (ref d, a, b, c, x[k+ 6], S22, 0xc040b340); /* 18 */
      GG (ref c, d, a, b, x[k+11], S23, 0x265e5a51); /* 19 */
      GG (ref b, c, d, a, x[k+ 0], S24, 0xe9b6c7aa); /* 20 */
      GG (ref a, b, c, d, x[k+ 5], S21, 0xd62f105d); /* 21 */
      GG (ref d, a, b, c, x[k+10], S22,  0x2441453); /* 22 */
      GG (ref c, d, a, b, x[k+15], S23, 0xd8a1e681); /* 23 */
      GG (ref b, c, d, a, x[k+ 4], S24, 0xe7d3fbc8); /* 24 */
      GG (ref a, b, c, d, x[k+ 9], S21, 0x21e1cde6); /* 25 */
      GG (ref d, a, b, c, x[k+14], S22, 0xc33707d6); /* 26 */
      GG (ref c, d, a, b, x[k+ 3], S23, 0xf4d50d87); /* 27 */
      GG (ref b, c, d, a, x[k+ 8], S24, 0x455a14ed); /* 28 */
      GG (ref a, b, c, d, x[k+13], S21, 0xa9e3e905); /* 29 */
      GG (ref d, a, b, c, x[k+ 2], S22, 0xfcefa3f8); /* 30 */
      GG (ref c, d, a, b, x[k+ 7], S23, 0x676f02d9); /* 31 */
      GG (ref b, c, d, a, x[k+12], S24, 0x8d2a4c8a); /* 32 */

      /* Round 3 */
      HH (ref a, b, c, d, x[k+ 5], S31, 0xfffa3942); /* 33 */
      HH (ref d, a, b, c, x[k+ 8], S32, 0x8771f681); /* 34 */
      HH (ref c, d, a, b, x[k+11], S33, 0x6d9d6122); /* 35 */
      HH (ref b, c, d, a, x[k+14], S34, 0xfde5380c); /* 36 */
      HH (ref a, b, c, d, x[k+ 1], S31, 0xa4beea44); /* 37 */
      HH (ref d, a, b, c, x[k+ 4], S32, 0x4bdecfa9); /* 38 */
      HH (ref c, d, a, b, x[k+ 7], S33, 0xf6bb4b60); /* 39 */
      HH (ref b, c, d, a, x[k+10], S34, 0xbebfbc70); /* 40 */
      HH (ref a, b, c, d, x[k+13], S31, 0x289b7ec6); /* 41 */
      HH (ref d, a, b, c, x[k+ 0], S32, 0xeaa127fa); /* 42 */
      HH (ref c, d, a, b, x[k+ 3], S33, 0xd4ef3085); /* 43 */
      HH (ref b, c, d, a, x[k+ 6], S34,  0x4881d05); /* 44 */
      HH (ref a, b, c, d, x[k+ 9], S31, 0xd9d4d039); /* 45 */
      HH (ref d, a, b, c, x[k+12], S32, 0xe6db99e5); /* 46 */
      HH (ref c, d, a, b, x[k+15], S33, 0x1fa27cf8); /* 47 */
      HH (ref b, c, d, a, x[k+ 2], S34, 0xc4ac5665); /* 48 */

      /* Round 4 */
      II (ref a, b, c, d, x[k+ 0], S41, 0xf4292244); /* 49 */
      II (ref d, a, b, c, x[k+ 7], S42, 0x432aff97); /* 50 */
      II (ref c, d, a, b, x[k+14], S43, 0xab9423a7); /* 51 */
      II (ref b, c, d, a, x[k+ 5], S44, 0xfc93a039); /* 52 */
      II (ref a, b, c, d, x[k+12], S41, 0x655b59c3); /* 53 */
      II (ref d, a, b, c, x[k+ 3], S42, 0x8f0ccc92); /* 54 */
      II (ref c, d, a, b, x[k+10], S43, 0xffeff47d); /* 55 */
      II (ref b, c, d, a, x[k+ 1], S44, 0x85845dd1); /* 56 */
      II (ref a, b, c, d, x[k+ 8], S41, 0x6fa87e4f); /* 57 */
      II (ref d, a, b, c, x[k+15], S42, 0xfe2ce6e0); /* 58 */
      II (ref c, d, a, b, x[k+ 6], S43, 0xa3014314); /* 59 */
      II (ref b, c, d, a, x[k+13], S44, 0x4e0811a1); /* 60 */
      II (ref a, b, c, d, x[k+ 4], S41, 0xf7537e82); /* 61 */
      II (ref d, a, b, c, x[k+11], S42, 0xbd3af235); /* 62 */
      II (ref c, d, a, b, x[k+ 2], S43, 0x2ad7d2bb); /* 63 */
      II (ref b, c, d, a, x[k+ 9], S44, 0xeb86d391); /* 64 */

      A+=a;
      B+=b;
      C+=c;
      D+=d;
    }
    return new UInt32[]{A,B,C,D};
  }
  public static byte[] MD5Array(byte[] input){
    MD5_Init();
    UInt32[] block = MD5_Append(input);
    UInt32[] bits = MD5_Trasform(block);

    /* Encodes bits (UInt32[]) into output (byte[]). Assumes len is
     * a multiple of 4.
         */
    byte[] output=new byte[bits.Length*4];
    for(int i=0,j=0;i<bits.Length;i++,j+=4){
      output[j] = (byte)(bits[i] & 0xff);
      output[j+1] = (byte)((bits[i] >> 8) & 0xff);
      output[j+2] = (byte)((bits[i] >> 16) & 0xff);
      output[j+3] = (byte)((bits[i] >> 24) & 0xff);
    }
    return output;
  }

  public static string ArrayToHexString(byte[] array,bool uppercase){
    string hexString="";
    string format="x2";
    if(uppercase){
      format="X2";
    }
    foreach(byte b in array){
      hexString += b.ToString(format);
    }
    return hexString;
  }

  public static string MDString(string message){
    char[] c = message.ToCharArray();
    byte[] b = new byte[c.Length];
    for(int i=0;i<c.Length;i++){
      b[i]=(byte)c[i];
    }
    byte[] digest = MD5Array(b);
    return ArrayToHexString(digest,false);
  }
  public static string MDFile(string fileName){
    FileStream fs=File.Open(fileName,FileMode.Open,FileAccess.Read);
    byte[] array=new byte[fs.Length];
    fs.Read(array,0,(int)fs.Length);
    byte[] digest = MD5Array(array);
    fs.Close();
    return ArrayToHexString(digest,false);
  }

  public static string Test(string message){
    return "rnMD5 (""+message+"") = " + MD5.MDString(message);
  }
  public static string TestSuite(){   
    string s = "";
    s+=Test("");
    s+=Test("a");
    s+=Test("abc");
    s+=Test("message digest");
    s+=Test("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");
    s+=Test("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789");
    s+=Test("12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890");
    return s;   
  }
}
[/code]