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

K*512+448(bit)。即K*64+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(32byte)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[i*16+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[i]) <<< 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[i]) <<< 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[i]) <<< 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[i]) <<< 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。

3. 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。

4. 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 <iostream>

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

源代码下载：点击下载

在这里放上Vrcats修改的Qt版本：点击下载

转载地址：http://www.cppblog.com/ant/archive/2007/09/11/31886.html