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奇妙的安全旅行之MD算法

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hi,大家好,今天我们开始介绍消息摘要算法中的MD(Message Digest)算法,MD算法家族包括:MD2,MD4,MD5,MD算法生成的消息摘长度要都是128位的。

其中MD5算法是消息摘要算法的第五个版本,是当前最典型的消息摘要算法,它是由MD2和MD4算法改进而来的。不论是哪一种MD算法,它们都需要获得一个随机长度的信息并产生一个128位长度的信息摘要。如果将这个128位的二进制摘要信息换算成十六进制,就可以得到一个32位长的字符串,所以平时我们见到的大部分MD5算法生成的字符串都是一个32位长的十六进制的字符串。

从安全性上说:MD5 > MD4 > MD2,MD5算法安全性最高。

MD 算法家族的发展史:

MD2 算法:

1989年,著名的非对称算法RSA发明人之一麻省理工学院教授罗纳德·李维斯特教授开发了MD2算法。这个算法首先对信息进行数据补位,使信息的字节长度是16的倍数;再以一个16位的检验和做为补充信息追加到原信息的末尾;最后根据这个新产生的信息计算出一个128位的散列值,MD2算法由此诞生。

MD4 算法:

1990年,罗纳德·李维斯特教授开发出较之MD2算法有着更高安全性的MD4算法。在这个算法中,我们仍需对信息进行数据补位。不同的是,这种补位使其信息的字节长度加上448个字节后成为512的倍数(信息字节长度mod 512 = 448)。此外,关于MD4算的处理和MD2算法有很大的差别,但最终仍旧会获得一个长度为128位的散列值。MD4算法对后续消息摘要算法起到了推动作用, 许多比较有名的消息摘要算法都是在MD4算法的基础上发展而来的,例如MD5、SHA-1、RIPE-MD和HAVAL算法等。

MD5 算法:

1991年,继MD4算法后,罗纳德.李维斯特教授开发了MD5算法,最终将MD系列算法推向了成熟。MD5算法经MD2和MD4算法发展而来,算法复杂程度和安全强度也大大提高,但这些MD算法的最终结果都是产生一个128位长度的信息摘要,这也是MD系列算法的主要特点。

MD 算法的对比

算法 摘要长度(位) 实现方
MD2 128 JDK、Commons Codec
MD4 128 Bouncy Castle、Commons Codec
MD5 128 JDK、Commons Codec
  • MD2,MD4,MD5 计算的结果都是是一个128位(即16字节)的散列值,用于确保数据信息的完整一致性。
  • MD2 算法加密速度较慢但相对安全,MD4 速度很快,但安全性下降,MD5 则比 MD4 更安全、速度更快。
  • MD5 算法被广泛应用于数据完整性校验、数据(消息)摘要、数据加密等。
  • 2004年,证实MD5 算法无法防止碰撞攻击,因此不适用于安全性认证,如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。对于需要高度安全性的数据,一般建议改用其他更安全不容易破解的算法,如SHA-2。

MD 算法实现

JDK提供的 MD2 和 MD5 算法实现

Java的jdk中提供了MD2和MD5算法的实现,如果想实现MD5,可以直接使用JDk提供的方法来实现,示例代码如下所示:

// MD2加密
public static String encodeMd2(byte[] data) throws Exception {
    // 初始化MessageDigest
    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD2");
    // 执行摘要信息
    byte[] digest = md.digest(data);
    // 将摘要信息转换为32位的十六进制字符串
    return new HexBinaryAdapter().marshal(digest);
}

// MD5加密
public static String encodeMd5(byte[] data) throws Exception {
    // 初始化MessageDigest
    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
    // 执行摘要信息
    byte[] digest = md.digest(data);
    // 将摘要信息转换为32位的十六进制字符串
    return new HexBinaryAdapter().marshal(digest);
}
Bouncy Castle 补充的 MD4 算法实现

JDK中不提供对 MD4 算法的实现,Bouncy Castle帮我们实现了,需要引入Bouncy Castle的相关包,示例代码如下所示:

// MD4加密
public static String encodeMd4(byte[] data) throws Exception {
    // 加入BouncyCastle的支持
    Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    // 初始化MessageDigest
    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD4");
    // 执行摘要信息
    byte[] digest = md.digest(data);
    // 将摘要信息转换为32位的十六进制字符串
    return new String(Hex.encode(digest));
}
Commons Codec 的MD算法实现

Commons Codec 提供了 MD系列算法的消息摘要算法的实现,在使用时可以通过封装的工具类—–DigestUtils类来进行操作。DigestUtils类是对Sun提供的MessageDigest类的一次封装,提供了完整的实现方法。下面是关于MD5实现的示例:

// MD5加密 返回十六进制的字符串
public static String encodeMd5HexWithCodec(byte[] data) throws Exception {
    return DigestUtils.md5Hex(data);
}

// MD5加密,返回十进制的字节数组
public static byte[] encodeMd5WithCodec(byte[] data) {
    return DigestUtils.md5(data);
}

获取完整代码请访问:

https://github.com/ForTheDevelopers/JavaSecurity

应用场景

由于MD5算法具有简单快捷等特性,在实际应用中还是有很多场景中会使用,下面列举一些我们常见的场景。

1、用户密码

MD5算法可以用于用户注册登录时的密码验证,不过为了增加MD5被破解的难度,可以进行加盐或乱序处理,也可以只取一半MD5的长度或者其他策略。MD5是不可逆算法,只要保证算法不变,就能和数据库中的md5相匹配。不过MD5算法不是完全安全的,还是可能被破解的,可以作为一个低安全级别的应用场景。

2、文件完整性的校验

当我们在下载一个文件时,通常会在下载文件页面中显示这个文件的MD5值,在本地下载完成后可以对下载的文件进行MD5计算,并将两个MD5值进行比较,如果一致则说明文件完整没有被篡改,说明是网站的源文件。这种可以有效防止文件被黑客利用进行病毒的植入,一旦文件被篡改,MD5值就不一样了。例如,我们在Oracle官方下载jdk时通常会看到这个页面:

md5

md5
3、搜索

以某网站内容搜索为例,可以使用搜索关键词的MD5值来设置索引,例如你输入我是开发者FTD 公众号和输入公众号 我是开发者FTD搜索的结果是不一样的,因为这两个关键词对应的MD5值是不一样的,我们可以根据这个MD5值去定义唯一的搜索关键词。

4、著作版权

当一个视频或者音频创作出来的时候它的MD5值是唯一的,若以后有翻录等版本出来,即使画质,声音,文件名都一样,但是他们的MD5值验证是不一样的,所以可以验证版权。还比如用某一账户下载的视频它的账户信息也回和视频一起MD5值操作,如果以后这个人私自传播通过MD5值就可以去数据库中查找泄露版权的情况。

5、订单信息的校验

现在支付工具对大家都比较熟悉了,你有没有想过如果在支付过程中,黑客将订单拦截并修改了支付金额,是不是就可以免费或很便宜的买东西了呢?这时服务器端就可以使用MD5来校验订单的真实性,看看收到的订单是不是最初用户下单时的订单,如果发现订单被修改了,则支付失败,有效的预防了商家的损失。

MD5算法的不足

上面说到了MD5算法抗碰撞性的特点,因此在实际应用中MD5被认为是非常安全的,但是在2004年,咱们中国山东大学的王小云教授以及她的同事在美国加州举办的密码学会议上宣布破解了MD5算法,其实也不是真正的破解,而是非常明显的加快了寻找一对碰撞的速度,利用她们的技术,可以在几个小时内就找到一对碰撞,极端情况下,甚至在2008年计算机的计算能力上,几秒钟就可以找到一对碰撞。

因此MD5算法的安全性就引起人们的担忧,所以在对安全性要求较高的场合,不建议直接使用MD5算法。

总结

虽然MD5算法现在看来并不是绝对安全的,但是MD5算法的简单快速便捷性也是其他算法无法比拟的,MD5算法还是有很多场景在使用,大家也可以根据自己实际业务的需求来选择是否使用MD5算法。

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