[C#] MD5 加密的具体流程

来源：http://www.chinaitpower.com/A/2005-05-13/116840.html

　　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 ("12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890") = 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。

//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);
    }
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine(Test(""));
        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine(Test("a"));
        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine(Test("abc"));
        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine(Test("message digest"));
        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine(Test("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"));
        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine(Test("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789"));
        Console.WriteLine();
        Console.WriteLine(Test("12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890"));
        Console.ReadLine();
    }
}