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【常见开源库的二次开发】基于openssl的加密与解密——MD5算法源码解析（六）

news 来源：原创 2024/9/20 21:35:37

一、MD5算法分析：

1.1 关于MD5

“消息摘要”是指MD5（Message Digest Algorithm 5）算法。MD5是一种广泛使用的密码散列函数，它可以生成一个128位（16字节）的散列值。

RFC 1321: MD5由Ronald Rivest在1992年设计，并通过RFC 1321正式发布。它主要用于确保数据完整性，广泛应用于各种软件和系统中，用于验证数据未被篡改。

抗碰撞性攻破: 抗碰撞性是指难以找到两个不同的输入值，使它们通过散列函数产生相同的输出值。2004年，中国的密码学家王小云发现了MD5、SHA-0和其他散列函数的碰撞漏洞，这表明MD5对于安全敏感的应用来说已不再安全。

不再安全: 由于MD5的碰撞漏洞，以及随后发现的更多安全弱点，MD5在安全性要求高的领域（如SSL证书、加密货币等）中已逐渐被其他更安全的算法（如SHA-256）所替代。

如果应用加salt: 加盐（salt）是一种安全措施，常用于存储密码。通过向原始密码添加一段随机数据（salt），然后再进行散列，可以增加破解的难度，减少使用彩虹表等攻击技术的风险。然而，即使加盐，由于MD5本身存在的安全漏洞，它仍然不推荐用于需要高安全性的密码存储。

1.2 算法原理

MD5算法将输入的消息分成512位的块，每个块再分成16个32位（4字节）的子块，命名为M0到M15。算法的核心是四轮处理，每轮使用不同的非线性函数（F、G、H、I），每轮包含16次操作，总共64次操作。

以下是MD5算法中四轮处理的概述：

第一轮：使用函数F，操作如下：

FF(a, b, c, d, M0, 7, 0xd76aa478); 
FF(d, a, b, c, M1, 12, 0xe8c7b756); // 继续处理直到M15

第二轮：使用函数G，操作如下：

GG(a, b, c, d, M1, 5, 0xf61e2562); 
GG(d, a, b, c, M6, 9, 0xc040b340); // 继续处理直到M11

第三轮：使用函数H，操作如下：

HH(a, b, c, d, M5, 4, 0xfffa3942); 
HH(d, a, b, c, M8, 11, 0x8771f681); // 继续处理直到M14

第四轮：使用函数I，操作如下：

II(a, b, c, d, M0, 6, 0xf4292244);
II(d, a, b, c, M7, 10, 0x432aff97); // 继续处理直到M15

在每轮中，函数FF、GG、HH、II分别定义了如何更新四个32位的寄存器（a, b, c, d）。这些函数通常包含一个非线性函数（F, G, H, I），一个常数（ac），一个消息块（x），以及一个位移量（s）。

例如，FF函数的定义可能如下：

#define FF(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += F((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \ (a) = ROTATE_LEFT((a), (s)); \ (a) += (b); \ }

这里的F是一个非线性函数，ROTATE_LEFT是一个位移操作，将a左移s位，然后加上b。

MD5算法的详细实现可以在RFC 1321文档中找到，该文档提供了算法的完整描述和实现细节。然而，由于MD5的安全性问题，现在推荐使用更安全的散列算法，如SHA-256。

二、MD5接口调用

演示如何使用OpenSSL库计算并输出字符串的MD5哈希值，主要用于学习和教学目的。通过这段代码，可以了解MD5哈希算法的基本使用方法，并学习如何使用OpenSSL库的函数来实现这一算法。

源代码：

#include <iostream>
#include <openssl/md5.h>using namespace std;int main() {cout << "Test Hash" << endl; // 输出测试信息unsigned char data[] = "测试MD5数据"; // 定义要进行MD5哈希的数据unsigned char out[MD5_DIGEST_LENGTH] = {0}; // 定义输出数组，大小为MD5哈希结果的长度int len = sizeof(data) - 1; // 计算数据长度，减去1是因为sizeof包含字符串末尾的'\0'MD5_CTX c; // 定义MD5上下文MD5_Init(&c); // 初始化MD5上下文MD5_Update(&c, data, len); // 更新MD5上下文，传入数据和数据长度MD5_Final(out, &c); // 完成MD5哈希，将结果存储在out数组中// 输出MD5哈希结果for (int i = 0; i < MD5_DIGEST_LENGTH; i++) {cout << hex << (int)out[i]; // 以十六进制格式输出每个字节}cout << endl; // 输出换行符，使结果更清晰return 0; // 返回0表示程序成功执行
}

输出测试信息：提示用户程序开始运行。

unsigned char data[] = "测试MD5数据"; // 定义要进行MD5哈希的数据 
unsigned char out[MD5_DIGEST_LENGTH] = {0}; // 定义输出数组，大小为MD5哈希结果的长度 
int len = sizeof(data) - 1; // 计算数据长度，减去1是因为sizeof包含字符串末尾的'\0'

定义输入数据：一个用于计算MD5哈希的字符串。

定义输出数组：存储MD5哈希结果的数组，长度为16字节（MD5_DIGEST_LENGTH）。

计算数据长度：sizeof(data) - 1用于获取实际字符串长度，不包括终止符'\0'。

MD5_CTX c; // 定义MD5上下文 MD5_Init(&c); // 初始化MD5上下文 
MD5_Update(&c, data, len); // 更新MD5上下文，传入数据和数据长度 
MD5_Final(out, &c); // 完成MD5哈希，将结果存储在out数组中

MD5上下文：使用MD5_CTX结构体来保存MD5计算的中间状态。

初始化MD5上下文：使用MD5_Init函数。

更新MD5上下文：使用MD5_Update函数，将输入数据分块更新到MD5上下文中。

完成MD5哈希：使用MD5_Final函数，将最终的MD5哈希结果存储到输出数组中。

// 输出MD5哈希结果 for (int i = 0; 
i < MD5_DIGEST_LENGTH; i++) 
{ cout << hex << (int)out[i]; // 以十六进制格式输出每个字节 
} 
cout << endl; // 输出换行符，使结果更清晰

输出MD5哈希结果：使用循环遍历输出数组的每个字节，并以十六进制格式输出。

换行符：在输出结束后添加换行符，使输出更整齐。

当我们改变data数组中的某一个值后，我们整个哈希值都会发生改变，修改输入数据的一个字节，然后重新计算该数据的MD5哈希值，并输出结果。通过这种方式，可以观察到数据微小变化对MD5哈希值的影响，从而理解MD5哈希算法的敏感性。

data[1] = 9;
MD5(data,len, out);
for(int i = 0; i < 16; i++)cout << hex << (int)out[i];

三、运用MD5 哈希列表(Hash List)验证文件完整性

哈希列表（Hash List）是一种用于验证文件完整性的技术。通过将文件分割成多个块，并对每个块生成哈希值，然后将所有块的哈希值合并再生成一个总的哈希值，可以有效地验证文件是否在传输或存储过程中被篡改。

3.1 读取文件并分块

首先，将文件读取并分割成多个固定大小的块。例如，可以将文件分割成1MB的块。

3.2 生成每个块的哈希值

对每个块生成哈希值。常用的哈希算法包括MD5、SHA-1、SHA-256等。

3.3 合并所有块的哈希值

将所有块的哈希值合并成一个总的哈希值。可以采用类似的方式，将所有块的哈希值拼接起来，然后对这个拼接后的数据生成一个总的哈希值。

3.4 验证文件完整性

在文件传输或存储后，重新执行上述步骤，生成新的哈希列表和总的哈希值。比较新生成的总的哈希值与原始的总的哈希值，如果一致，则文件未被篡改；如果不一致，则文件已被篡改。

3.5 演示代码

通过计算文件的MD5哈希值来监控文件的完整性。如果文件被修改，程序会检测到并输出新的哈希值。

源代码：

#include <iostream>
#include <openssl/md5.h>
#include <fstream>
#include <iomanip>
#include <thread>using namespace std;// 计算文件的MD5哈希值
string GetFileListHash(const string& filepath)
{// 以二进制方式打开文件ifstream ifs(filepath, ios::binary);if (!ifs) {// 如果无法打开文件，输出错误信息并返回空字符串cerr << "Failed to open file: " << filepath << endl;return "";}// 定义一次读取的块大小int block_size = 128;// 定义读取文件的缓冲区unsigned char buf[block_size] = { 0 };// 定义输出哈希的数组unsigned char out[MD5_DIGEST_LENGTH] = { 0 };// 定义并初始化MD5上下文MD5_CTX c;MD5_Init(&c);// 读取文件直至文件末尾while (!ifs.eof()) {ifs.read(reinterpret_cast<char*>(buf), block_size);int read_size = ifs.gcount(); // 获取实际读取的字节数if (read_size > 0) {// 将读取的数据添加到MD5上下文中MD5_Update(&c, buf, read_size);}}// 完成MD5计算并将结果存储在out数组中MD5_Final(out, &c);ifs.close(); // 关闭文件流// 将MD5结果转换为字符串并返回return string(reinterpret_cast<char*>(out), MD5_DIGEST_LENGTH);
}// 以十六进制格式输出数据
void PrintHex(const string& data) {for (unsigned char c : data) {cout << hex << setw(2) << setfill('0') << (int)c;}cout << endl;
}int main() {cout << "Test Hash" << endl; // 输出测试信息unsigned char data[] = "测试MD5数据"; // 定义要进行MD5哈希的数据unsigned char out[MD5_DIGEST_LENGTH] = { 0 }; // 定义输出数组，大小为MD5哈希结果的长度int len = sizeof(data) - 1; // 计算数据长度，减去1是因为sizeof包含字符串末尾的'\0'// 对数据进行MD5哈希计算MD5(data, len, out);// 输出哈希结果for (int i = 0; i < MD5_DIGEST_LENGTH; i++) {cout << hex << setw(2) << setfill('0') << (int)out[i];}cout << endl;data[1] = 9; // 修改数据MD5(data, len, out); // 再次计算MD5哈希for (int i = 0; i < MD5_DIGEST_LENGTH; i++) {cout << hex << setw(2) << setfill('0') << (int)out[i];}cout << endl;string filepath = "/home/book/Desktop/test.txt"; // 文件路径auto hash1 = GetFileListHash(filepath); // 计算文件的哈希值PrintHex(hash1); // 输出文件哈希值// 循环检查文件完整性for (;;) {auto hash = GetFileListHash(filepath); // 重新计算文件哈希值if (hash != hash1) {cout << "文件被修改" << endl;PrintHex(hash); // 输出新的哈希值hash1 = hash; // 更新旧哈希值}this_thread::sleep_for(1s); // 每秒检查一次}return 0; // 程序正常结束
}

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