一、实验目的
通过实际编程了解MD5算法， 加深对MD5的性质、原理的理解。
二、实验环境
操作系统：运行Windows ，VS2010编译环境。
三、实验内容与实验要求
MD5算法的原理
对MD5算法简要的叙述可以为：MD5以512位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为16个32位子分组，经过了一系列的处理后，算法的输出由四个32位分组组成，将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。
在MD5算法中，首先需要对信息进行填充，使其位长对512求余的结果等于448。因此，信息的位长（Bits Length）将被扩展至N*512+448，N为一个非负整数，N可以是零。填充的方法如下，在信息的后面填充一个1和无数个0，直到满足上面的条件时才停止用0对信息的填充。然后，在这个结果后面附加一个以64位二进制表示的填充前信息长度。经过这两步的处理，现在的信息的位长=N*512+448+64=(N+1）*512，即长度恰好是512的整数倍。这样做的原因是为满足后面处理中对信息长度的要求。
总体流程如下图所示， 表示第i个分组，每次的运算都由前一轮的128位结果值和第i块512bit值进行运算。初始的128位值为初试链接变量，这些参数用于第一轮的运算，以大端字节序来表示，他们分别为：A=0x01234567，B=0x89ABCDEF，C=0xFEDCBA98，D=0x76543210。
每一分组的算法流程如下：
第一分组需要将上面四个链接变量复制到另外四个变量中：A到a，B到b，C到c，D到d。从第二分组开始的变量为上一分组的运算结果。
主循环有四轮（MD4只有三轮），每轮循环都很相似。第一轮进行16次操作。每次操作对a、b、c和d中的其中三个作一次非线性函数运算，然后将所得结果加上第四个变量，文本的一个子分组和一个常数。再将所得结果向左环移一个不定的数，并加上a、b、c或d中之一。最后用该结果取代a、b、c或d中之一。
以一下是每次操作中用到的四个非线性函数（每轮一个）。
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))
（&；是与，|是或，~是非，^是异或）
这四个函数的说明：如果X、Y和Z的对应位是独立和均匀的，那么结果的每一位也应是独立和均匀的。
F是一个逐位运算的函数。即，如果X，那么Y，否则Z。函数H是逐位奇偶操作符。
假设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），常数ti是4294967296*abs(sin(i)）的整数部分，i取值从1到64，单位是弧度。（4294967296等于2的32次方）
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)
这四轮（64步）是：
第一轮
1. FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478） 2. 3. FF(d,a,b,c,M1,12,0xe8c7b756） 4. 5. FF(c,d,a,b,M2,17,0x242070db) 6. 7. FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee) 8. 9. FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf) 10. 11. FF(d,a,b,c,M5,12,0x4787c62a) 12. 13. FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613） 14. 15. FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501） 16. 17. FF(a,b,c,d,M8,7,0x698098d8） 18. 19. FF(d,a,b,c,M9,12,0x8b44f7af) 20. 21. FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1） 22. 23. FF(b,c,d,a,M11,22,0x895cd7be) 24. 25. FF(a,b,c,d,M12,7,0x6b901122） 26. 27. FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193） 28. 29. FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e) 30. 31. FF(b,c,d,a,M15,22,0x49b40821）
第二轮
1. GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562） 2. 3. GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340） 4. 5. GG(c,d,a,b,M11,14,0x265e5a51） 6. 7. GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa) 8. 9. GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d) 10. 11. GG(d,a,b,c,M10,9,0x02441453） 12. 13. GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681） 14. 15. GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8） 16. 17. GG(a,b,c,d,M9,5,0x21e1cde6） 18. 19. GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6） 20. 21. GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87） 22. 23. GG(b,c,d,a,M8,20,0x455a14ed) 24. 25. GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905） 26. 27. GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8） 28. 29. GG(c,d,a,b,M7,14,0x676f02d9） 30. 31. GG(b,c,d,a,M12,20,0x8d2a4c8a)
第三轮
1. HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942） 2. 3. HH(d,a,b,c,M8,11,0x8771f681） 4. 5. HH(c,d,a,b,M11,16,0x6d9d6122） 6. 7. HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c) 8. 9. HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44） 10. 11. HH(d,a,b,c,M4,11,0x4bdecfa9） 12. 13. HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60） 14. 15. HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70） 16. 17. HH(a,b,c,d,M13,4,0x289b7ec6） 18. 19. HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa) 20. 21. HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085） 22. 23. HH(b,c,d,a,M6,23,0x04881d05） 24. 25. HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039） 26. 27. HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5） 28. 29. HH(c,d,a,b,M15,16,0x1fa27cf8） 30. 31. HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665）
第四轮
1. Ⅱ（a,b,c,d,M0,6,0xf4292244） 2. 3. Ⅱ（d,a,b,c,M7,10,0x432aff97） 4. 5. Ⅱ（c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7） 6. 7. Ⅱ（b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039） 8. 9. Ⅱ（a,b,c,d,M12,6,0x655b59c3） 10. 11. Ⅱ（d,a,b,c,M3,10,0x8f0ccc92） 12. 13. Ⅱ（c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d) 14. 15. Ⅱ（b,c,d,a,M1,21,0x85845dd1） 16. 17. Ⅱ（a,b,c,d,M8,6,0x6fa87e4f) 18. 19. Ⅱ（d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0) 20. 21. Ⅱ（c,d,a,b,M6,15,0xa3014314） 22. 23. Ⅱ（b,c,d,a,M13,21,0x4e0811a1） 24. 25. Ⅱ（a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82） 26. 27. Ⅱ（d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235） 28. 29. Ⅱ（c,d,a,b,M2,15,0x2ad7d2bb) 30. 31. Ⅱ（b,c,d,a,M9,21,0xeb86d391）
所有这些完成之后，将A、B、C、D分别加上a、b、c、d。然后用下一分组数据继续运行算法，最后的输出是A、B、C和D的级联。
当你按照我上面所说的方法实现MD5算法以后，你可以用以下几个信息对你做出来的程序作一个简单的测试，看看程序有没有错误。
1. MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e 2. 3. MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661 4. 5. MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72 6. 7. MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0 8. 9. MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b 10. 11. MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = 12. 13. f29939a25efabaef3b87e2cbfe641315
四、实验过程与分析
五、实验结果总结
通过实验我们学习到Hash一般翻译做“散列”，也有直接音译为“哈希”的，就是把任意长度的输入（又叫做预映射， pre-image），通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。
MD（Message Digest )，为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。
MD5的典型应用是对一段Message(字节串)产生fingerprint(指纹），以防止被“篡改”。对MD5算法简要的叙述可以为：MD5以512位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为16个32位子分组，经过了一系列的处理后，算法的输出由四个32位分组组成，将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。
分析与思考：
1.哈希算法的原理是将任意长度的二进制值串映射为固定长度的二进制值串，这个映射的规则就是哈希算法，而通过原始数据映射之后得到的二进制值串就是哈希值。
哈希算法不单单只为了加密，其最核心的用处，就是高速存取。在区块链技术中，它才真正大展身手。以下是它在区块中的具体作用：
（1）快速验证。只需要验证摘要，就能比较两个数据是否相等。
（2） 防止篡改。只需要传递数据的摘要即可传递该数据，并防止在传递过程中被篡改。
（3）用于POW共识算法工作量证明。目前比特币和以太坊，都使用POW共识机制。
2. 目前哈希算法分为两大类：
MD(Message Digest)：消息摘要算法
MD算法家族包括：MD2，MD4，MD5，它们生成的消息摘要都是 128位 的，通常用16进制表示为32个字符
MD4（RFC 1320）是 MIT 的 Ronald L. Rivest 在 1990 年设计的
MD5（RFC 1321）是Rivest于 1991 年对MD4的改进版本。它对输入仍以 512位 分组，其输出是 4个32位字 的级联，与 MD4 相同。MD5比MD4来得复杂，并且速度较之要慢一点，但更安全，在抗分析和抗差分方面表现更好
从安全性上说：MD5 > MD4 > MD2
SHA(Secure Hash Algorithm)：安全散列算法
安全散列算法是一个 密码散列函数家族，是FIPS所认证的安全散列算法，它是一个能计算出数字消息所对应到的，长度固定(又称消息摘要)的算法
SHA家族的五个算法，分别是 SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512，后面四个有时统称为 SHA-2
SHA-1可将一个最大 2的64次方位 的讯息，转换成一串 160位 的讯息摘要，而后四个算法生成的摘要长度为它们名字 后面的数字，如SHA-256算法，它生成的摘要长度为256位，因此它的抗穷举（brute-force）性比MD更好
3. MD5不是加密算法而是散列算法，数据转换的过程和结果是不可逆的，即可以从原文生成MD5编码但无法由MD5编码逆向生成原文。
