2023年12月8日发(作者：)
Java实现MD5算法过程，并利用自带MD5函数进行对比校验
文章目录
一、环境说明
操作系统：window10
编程语言：Java （JDK版本 11.0.1）
使用IDE：Intellij IDEA
二、算法原理概述
整个MD5（信息摘要算法5）的基本过程可以概括为以下几个步骤：1. 填充：消息为
K
bits的原始消息数据尾部填充长度为
P
bits的标识
<01≤P≤512（至少要填充一个bit) 。使得填充后的消
息位数满足
K+P≡448(mod512)
(注：当
K≡448(mod512)
)时，
P=512
。
填充好的消息尾部需要在附加
K
值的低64位即
Kmod2
64
。 最终结果得到
K+P+64≡0(mod512)
的填充消息。
2. 分块：把填充之后的消息结果分割为
L
个
512−bit
分组：
Y
0
..Y
L−1
。也是
L
个64字节的分组。
3. 缓冲区初始化：初始化一个
128−bit
的MD缓冲区，记为
CV
q
，表示成4个
32−bit(4个byte)
的寄存器
(A,B,C,D)
；
CV
0
=
IV(IV为16进制初值)
。
4. 循环压缩 ：对L个消息分组
Y
q
(q=
0,1,...L−1)
，逐个经过4重循环的压缩算法。表示为：
CV
0
=IV
CV
i
=H
MD5
(CV
i−1
,Y
i
)
5. 得出结果：最后一个消息分组经过
H
MD5
压缩得到MD5结果为MD值，即
MD=CV
L
。
整个加密算法的基本流程如上。而整个加密算法的核心步骤在于
H
MD5
压缩函数流程如下。
1. 总控流程：
H
MD5
从
CV
输入128位，分配到缓冲区
(A,B,C,D)
，从消息分组输入512位
Y
q
，经过4轮循环，每次循环16次迭代
（共64次迭代）之后，得到用于下一轮的输入的
CV
值。如果
Yq=Y
L−1
，即输出MD5值。
2. 每轮循环：结合T表元素
T[]
和消息分组的不同部分
X[]
，每轮固定不同的生成函数
F，G，H，I
做16次迭代运算，生成下一轮循环
的输入。
3. 四个生成函数
F,G,H,I
：
4. 消息分组的内容：需要靠下标k来进行运算得到参与 迭代的消息部分，代表当前处理消息分组的第
k
个
(15)32
位字，即
M
q×16+k
。
在各轮循环中第
i
次迭代
(i=1..16)
使用的
X[k]
的确定：
设
j=i−1
：
◌ 第1轮迭代：
k=j
.
顺序使用 $ X[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10,11,12,13,14,15]$
◌ 第2轮迭代：
k=(1+5j)mod16
.
顺序使用
X[1,6,11,0,5,10,15,4,9,14,3,8,13,2,7,12]
◌ 第3轮迭代：
k=(5+3j)mod16
.
顺序使用
X[5,8,11,14,1,4,7,10,13,0,3,6,9,12,15,2]
◌ 第4轮迭代：
k=7jmod16
.
顺序使用
X[0,7,14,5,12,3,10,1,8,15,6,13,4,11,2,9]
5. T 表元素的生成：共有64个元素，用于64次的迭代，每个元素的计算如下。
T[i]=int(2
32
×∣sin(i)∣)
int为取整函数，sin正弦函数，以i作为弧度输入。
6. 移位数s的确定：
s表共有64个元素，用于64次迭代，各次迭代运算采用的左循环移位的s 值：
s[1..16]=7,12,17,22,7,12,17,22,7,12,17,22,7,12,17,22
s[17..32]=5,9,14,20,5,9,14,20,5,9,14,20,5,9,14,20
s[33..48]=4,11,16,23,4,11,16,23,4,11,16,23,4,11,16,23
s[49..64]=6,10,15,21,6,10,15,21,6,10,15,21,6,10,15,21
7. 一次迭代运算逻辑:
a,b,c,d
为寄存器
A,B,C,D
的内容，每轮循环重的一次迭代运算逻辑如下:
8. 对寄存器A进行迭代：
a←b+((a+g(b,c,d)+X[k]+T[i])<< 9. 对缓冲区的内容进行向左循环变换，即 (B,C,D,A)←(A,B,C,D) 。 X[k] 为消息分组的部分内容， g(b,c,d) 为生成函数， T[i] 为T表元素， s 为移位数。 三、程序设计 数据结构 本程序使用的数据数据结构如下： static byte[] M; /* 存放消息字节数组 */ static long[] T = new long[64]; /* 迭代运算的 T 表， 64 个元素，每个元素有 32bits ， 16 进制 8 位 */ /* 在迭代中的消息数组 */ static long[] X = new long[16]; /* 四个寄存器 A ， B ， C ， D ，构成 128bits 的迭代缓冲区 */ static long A = 0x67452301; static long B = 0xEFCDAB89; static long C = 0x98BADCFE; static long D = 0x10325476; 消息数组M的生成如下： FileInputStream fis = new FileInputStream(inputString); // 读入文件流 BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis); // 将文件流读入缓冲区 DataInputStream dis = new DataInputStream(bis); // 将缓冲区数据写入数据流 M = new byte[(int) (length + paddingLength + 8)]; // 填充消息最终长度 满足于 length + padding + 8 = 0 mod 64 字节 // 将文件内容读入全部字节数组 M 中并填充 for(int i = 0; i < length + paddingLength; i++){ if( i < length){ M[i] = (byte)(); } else if(i == length){ M[i] = (byte)128; } else{ M[i] = 0; } } 迭代运算中的T表数据生成如下： /* 生成迭代的 T 表格 */ public static void create_T_Table(){ for(int i = 0;i < 64;i++){ T[i] = (long) ((((i+1)) * (long)(2,32))); } } 处理消息分组X[]的生成如下： /* 将 512bit 的消息处理为 16 个字的 X 数组 */ for(j=0,k=0;j<16;j++,k+=4){ X[j] = ((int)M[i * 64 + k] & 0xFF) | ((int)M[i*64+k+1] & 0xFF) << 8 | ((int)M[i*64+k+2] & 0xFF) << 16 | ((int)M[i*64+k+3] & 0xFF) << 24; } 重要模块步骤 循环左移s位模块 /* * @ param x 被移数 * @ param s 左移的位数 * */ public static long rotateLeft(long x, long s){ return (x << s)| (x >> (32 - s)) & 0xFFFFFFFL; } / 四个生成函数和四个迭代函数。 /* 四重循环使用的函数 */ /* * @param a b c d 为四个缓冲区的内容 * k 为 X[k] * s 为移位数目 * i 为 T[j] */ public static long F_Func(long a,long b,long c,long d,long k,long s, long i){ return (b + rotate_left(((a + ((b & c) | ((~b) & d)) + k + i) & 0xFFFFFFFFL),s)) & 0xFFFFFFFFL; } public static long G_Func(long a,long b,long c,long d,long k,long s, long i){ return (b + rotate_left(((a + ((b & d) | (c & (~d))) + k + i) & 0xFFFFFFFFL),s)) & 0xFFFFFFFFL; } public static long H_Func(long a,long b,long c,long d,long k,long s, long i){ return (b + rotate_left(((a + (b ^ c ^ d) + k + i) & 0xFFFFFFFFL) , s)) & 0xFFFFFFFFL; } public static long I_Func(long a,long b,long c,long d,long k,long s, long i){ return (b + rotate_left(((a + (c ^ (b | (~d))) + k + i) & 0xFFFFFFFFL), s)) & 0xFFFFFFFFL; } /* 将小端形式转为大端形式 */ public static long encode(long t){ return ((t >> 24) & 0xff) | ((t >> 16) & 0xff) << 8 | ((t >> 8) & 0xff) << 16 | (t & 0xff) << 24; } 将数据从小端转为大端的形式 /* 将小端形式转为大端形式 */ public static long encode(long t){ return ((t >> 24) & 0xff) | ((t >> 16) & 0xff) << 8 | ((t >> 8) & 0xff) << 16 | (t & 0xff) << 24; } 获取填充的位数 String inputString = ""; // 输入的文件名 File file = new File(inputString); // 文件操作对象 length = (); // 获取文件的字节长度 1 // 获取填充的位数 if(length % 64 < 56){ paddingLength = (int)(56 - length % 64); // 字节 } else if(length % 64 == 56){ paddingLength = 64; // 64 字节 } else if(length % 64 > 56){ paddingLength = (int) (64 - (length % 64 - 56)); } 将消息分块 // 该循环的作用是：对全部原始消息进行分块，每块大小为 64 个字节，共 512 位 for(int i = 0; i < (length + paddingLength + 8)/64; i++){ ... 进入4次循环，共64次迭代 // 进入 4 轮循环，每次循环 16 次迭代，一共 64 次迭代 for(j = 0; j < 64; j ++){ int div16 = j / 16; // div16 代表每次循环的迭代次数 每次循环的迭代过程 switch (div16){ case 0: // 第一轮循环， 16 次迭代 j_factor = j ; k_index = j_factor; // 分四个 A 、 B 、 C 、 D 缓冲区处理 if(j % 4 == 0) { A = F_Func(A,B,C,D,X[k_index],7,T[j]); } else if(j % 4 == 1) { D = F_Func(D,A,B,C,X[k_index],12,T[j]); } else if(j % 4 == 2) { C = F_Func(C,D,A,B,X[k_index],17,T[j]); } else if(j % 4 == 3) { B = F_Func(B,C,D,A,X[k_index],22,T[j]); } break; 原寄存器内容与4重循环后的寄存器内容相加，得到下一轮压缩的寄存器值。 A = (A + tmpA) & 0xFFFFFFFFL; B = (B + tmpB) & 0xFFFFFFFFL; C = (C + tmpC) & 0xFFFFFFFFL; D = (D + tmpD) & 0xFFFFFFFFL; 全部消息压缩后，输出结果。 ("小端形式MD5：%x %x %x %xn", A,B,C,D); A = encode(A); // 转为大端形式 B = encode(B); C = encode(C); D = encode(D); ("大端形式MD5：%x %x %x %xn",A,B,C,D); 使用java自带的MD5函数进行比对验证。 /* 调用 java 自带 md5 函数 输出 md5 值 */ public static String getMd5ForFile(String fileName) throws IOException, NoSuchAlgorithmException { FileInputStream in = null; File file = new File(fileName); in = new FileInputStream(file); MessageDigest md5 = tance("MD5"); byte[] cache = new byte[2048]; int len; while ((len = (cache)) != -1) { (cache, 0, len); } (); BigInteger bigInt = new BigInteger(1, ()); return ng(16); } 四、运行结果 主函数中的代码如下, 利用java自带的MD5函数进行验证。 public static void main(String[] args)throws IOException, NoSuchAlgorithmException{ String inputString = ""; // 输入的文件名 n("输入加密的文件名："); BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader()); inputString = ne();// 直接读取字符串 getMD5ByFile(inputString); // 自行实现的函数 n("java自带的MD5函数结果如下:"); n(getMd5ForFile(inputString)); // 使用 java 自带的 MD5 函数 } 文件内容为 hello world 时，结果如下 由此可见，基本实现了MD5算法。实验存在的不足之处是：处理大文件的时候，一次性将文件数据读入内存并不太现实，Java内置的解决 办法是通过内存映射的方式来实现内存占用的问题，这为优化算法提供了新的思路。
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