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原创开源物联网技术--哈希算法MD5加密功能技术分享

 2024-9-24 17:33  74 0 分类: 物联网

一什么是 MD5？

MD5（Message-Digest Algorithm 5）是一种常用的哈希函数，通常用于数据加密和安全校验等场合。MD5 算法可以将任意长度的消息输入计算出一个固定长度的摘要，其生成的摘要具有唯一性和不可逆性，因此在一些场景下可以用来验证数据的完整性和真实性。本篇文章将详细介绍 MD5 算法的概念、原理、应用以及安全性问题。

MD5 是 Ronald Rivest 在1991年设计出来的一种哈希函数，其输入可以是任意长度的消息，输出则固定为128位。MD5 的全称是“Message-Digest Algorithm 5”，是 MD2 和 MD4 的改进版本。与前者相比，MD5 可以处理更大的消息，并且经过增加辅助函数和处理流程，其安全性也得到了进一步提高。

MD5 算法的核心思想是将任意长度的消息输入到一个压缩函数中，该函数通过一系列变换将消息转换成固定长度（128位）的消息摘要。由于函数中使用了大量的非线性变换操作，因此即使输入的消息相差只有一位，其输出的摘要也会发生很大的变化，这使得 MD5 算法在密码学、数字签名等领域中被广泛应用。

二 MD5的工作原理

附加填充：首先，MD5算法会对输入数据进行填充，使其长度达到512位的倍数（即64字节的倍数）。填充的方式是在原始数据后添加一个1，然后添加足够多的0，直到满足长度要求。

初始化缓冲区：MD5算法使用四个32位整数（A, B, C, D）作为缓冲区，这四个整数被称为链接变量（Chaining Variables）。这些变量在开始处理数据之前被初始化为特定的值。

处理数据块：算法将数据划分为512位（64字节）的块，并逐一处理这些块。对于每个数据块，算法执行四轮操作（每轮64次迭代），每轮操作都会更新链接变量的值。

生成摘要：当所有数据块都被处理后，算法将链接变量的值作为最终的消息摘要输出。这个摘要是一个128位的值，通常以32个十六进制数的形式表示。

三 MD5编码的特点

确定性：对于相同的输入数据，MD5算法总是生成相同的输出摘要。

雪崩效应：MD5算法对输入数据的微小变化非常敏感，即使只有一个比特位的改变，也会导致输出摘要的显著变化。

单向性：MD5算法是单向的，即无法从摘要中恢复出原始数据。

计算效率：MD5算法在计算上相对高效，可以在短时间内处理大量数据。

四 MD5应用场景

1、校验文件的完整性

如果张三给李四传了一个文件，如何确认这个文件传给李四是完整的呢

张三传文件前，先对文件做一个MD5加密，同时把MD5加密的密文传给李四

李四收到文件，也对该文件做MD5加密，如果得到的密文和张三给的密文一样，就说明文件是完整的。

2、存储用户密码

用户密码，理论上也不能直接明文存储在数据库中，因为一旦数据库被破解，用户的密码就全部丢失了

所以可以将用户密码做一个MD5加密，然后将密文存在数据库中

用户登录的时候，可以将用户的密码进行MD5加密，然后比对密文和数据库中的密文是否一致，来判断用户前台填的密码是否正确。

这只是一个思路，一般不会这么简单，一般生产环境会对用户密码加盐加密等等的处理，用户信息更加重要的，则需要更加复杂的计算逻辑。

五 MD5的原理

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，经过一些列的处理后，算法输出由四个32位分组组成的128位散列值。具体的步骤如下所示：

1、填充

如果输入信息的长度(bit)对512求余的结果不等于448，就需要填充使得对512求余结果等于448。填充的方法是填充一个1和n个0。填充完成后，信息的长度为N*512+448

2、记录信息长度

用64位内存来存储填充前信息长度。这64位加在第一步结果的后面，这样信息长度就变为N*512 + 448 + 64 = (N+1)*512

3、装入标准的幻数（四个整数）

标准的幻数（物理顺序）是（A=(01234567)16，B=(89ABCDEF)16，C=(FEDCBA98)16，D=(76543210)16）。如果在程序中定义应该是（A=0X67452301L，B=0XEFCDAB89L，C=0X98BADCFEL，D=0X10325476L）。有点晕哈，其实想一想就明白了。

首先清楚整型的位表示方法，其次标准文档上要求的是：四个幻数在内存地址上从低到高为：

A: 01 23 45 67

B: 89 ab cd ef

C: fe dc ba 98

D: 76 54 32 10

采用小端表示法表示为A=0X67452301L，则在地址中就是A=01 23 45 67

4、循环运算

4.1、把消息分以512位为一分组进行处理

4.2、每一个分组进行4轮变换，以上面所说4个标准的幻数为起始变量进行计算，重新输出4个变量

4.3、以这4个变量再进行下一分组的运算，如果已经是最后一个分组，则这4个变量为最后的结果，即MD5值。

由上面的介绍，我们知道需要对(N+1)组数据进行处理，所以要循环N+1次，每次的循环执行下面的步骤：

将每一512字节细分成16个小组，每个小组32位（4个字节）

认识一下四个线性函数

F(X,Y,Z)=(X&Y)|((~X)&Z)

G(X,Y,Z)=(X&Z)|(Y&(~Z))

H(X,Y,Z)=XYZ

I(X,Y,Z)=Y^(X|(~Z))

设置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)<<

GG(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+G(b,c,d)+Mj+ti)<<

HH(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+H(b,c,d)+Mj+ti)<<

II(a,b,c,d,Mj,s,ti)表示a=b+((a+I(b,c,d)+Mj+ti)<<

四轮运算

第一轮

a=FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478)

b=FF(d,a,b,c,M1,12,0xe8c7b756)

c=FF(c,d,a,b,M2,17,0x242070db)

d=FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee)

a=FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)

b=FF(d,a,b,c,M5,12,0x4787c62a)

c=FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613)

d=FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501)

a=FF(a,b,c,d,M8,7,0x698098d8)

b=FF(d,a,b,c,M9,12,0x8b44f7af)

c=FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1)

d=FF(b,c,d,a,M11,22,0x895cd7be)

a=FF(a,b,c,d,M12,7,0x6b901122)

b=FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193)

c=FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e)

d=FF(b,c,d,a,M15,22,0x49b40821)

第二轮

a=GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562)

b=GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340)

c=GG(c,d,a,b,M11,14,0x265e5a51)

d=GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa)

a=GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)

b=GG(d,a,b,c,M10,9,0x02441453)

c=GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681)

d=GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8)

a=GG(a,b,c,d,M9,5,0x21e1cde6)

b=GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6)

c=GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87)

d=GG(b,c,d,a,M8,20,0x455a14ed)

a=GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905)

b=GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8)

c=GG(c,d,a,b,M7,14,0x676f02d9)

d=GG(b,c,d,a,M12,20,0x8d2a4c8a)

第三轮

a=HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942)

b=HH(d,a,b,c,M8,11,0x8771f681)

c=HH(c,d,a,b,M11,16,0x6d9d6122)

d=HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c)

a=HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44)

b=HH(d,a,b,c,M4,11,0x4bdecfa9)

c=HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60)

d=HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70)

a=HH(a,b,c,d,M13,4,0x289b7ec6)

b=HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa)

c=HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085)

d=HH(b,c,d,a,M6,23,0x04881d05)

a=HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039)

b=HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5)

c=HH(c,d,a,b,M15,16,0x1fa27cf8)

d=HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665)

第四轮

a=II(a,b,c,d,M0,6,0xf4292244)

b=II(d,a,b,c,M7,10,0x432aff97)

c=II(c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7)

d=II(b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039)

a=II(a,b,c,d,M12,6,0x655b59c3)

b=II(d,a,b,c,M3,10,0x8f0ccc92)

c=II(c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d)

d=II(b,c,d,a,M1,21,0x85845dd1)

a=II(a,b,c,d,M8,6,0x6fa87e4f)

b=II(d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0)

c=II(c,d,a,b,M6,15,0xa3014314)

d=II(b,c,d,a,M13,21,0x4e0811a1)

a=II(a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82)

b=II(d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235)

c=II(c,d,a,b,M2,15,0x2ad7d2bb)

d=II(b,c,d,a,M9,21,0xeb86d391)

每轮循环后，将A、B、C、D分别加上a,b,c,d，然后进入下一循环

六 AT指令组件相关软件的使用

1 Gitee链接地址

组件位于amaziot_bloom_os_sdk\libraries\am\xtu\am_at.c

Gitee源码地址：https://gitee.com/ning./hongdou

Github源码地址：https://github.com/ayumid/hongdou

2 应用层组件功能介绍

提供MD5的计算方法。

3 代码讲解

1 mbedtls_md5

计算MD5，并将结果传入形参中

C++
ret = mbedtls_md5( sample_md5_test_buf, sample_md5_test_buflen, md5sum );

2 mbedtls_md5_finish

最终计算MD5。

C++
ret = mbedtls_md5_finish( &ctx, output )

3 mbedtls_md5_update

更新MD5buf数据

C++
ret = mbedtls_md5_update( &ctx, input, ilen )

4 mbedtls_md5_starts

设置MD5计算context

C++
ret = mbedtls_md5_starts( &ctx )

4 Demo实战

4.1 创建一个Demo

复制8.6_random示例工程，到同一个文件夹下，修改文件名为9.1_md5，如图：

4.2 修改makefile

4.3 增加头文件

使用代码编辑器，将新建的工程文件加入代码编辑器中，打开main.c，修改main.c，加入头文件，如图：

4.4 修改代码

在Phase2Inits_exit 调用文件组件提供的对外API，如图：

4.5 编译

在SDK根目录打开命令行，输入命令.\build.bat -l .\amaziot_bloom_os_sdk\sample\libraries\9.1_md5\

C++
λ .\build.bat -l .\amaziot_bloom_os_sdk\sample\libraries\9.1_md5\
子目录或文件 out\bin 已经存在。
子目录或文件 build\mbedTLS 已经存在。
子目录或文件 build\obj 已经存在。
gnumake: Entering directory `F:/3.asr-b/cat.1-asr1606/1.software/BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF/amaziot_bloom_os_sdk/sample/libraries/9.1_md5'
armcc.exe -c --cpu Cortex-R4 --no_unaligned_access -g -O2 --apcs /inter --diag_suppress 2084,1,2,177,188,223,550,1296,2795,6319,9931,9933 --diag_error=warning --gnu --thumb --loose_implicit_cast -DDATA_COLLECTOR_IMPL -DISPT_OVER_SSP -DDIAG_SSP_DOUBLE_BUFFER_USE_DYNAMIC_ALLOCATION -DENV_XSCALE -DL1_DCXO_ENABLED -DLTE_HIGH_MOBILITY_OPTIMIZATION -DRUN_XIP_MODE -DCRANE_Z2 -DCA_LONG_IPC_MSG -DNEZHA3 -DNEZHA3_1826 -DUPGRADE_PLMS -DUPGRADE_PLMS_SR -DLTE_GSMMULTIBCCH -DGPLC_LTE_RSSI_SCAN -DL1V_NEW_RSSI -DUPGRADE_PLMS_3G -DUPGRADE_PLMS_L1 -DUPGRADE_FG_PLMS -DFG_PLMS_URR -DUPGRADE_L1A_FG_PLMS -DUPGRADE_PLMS_STAGE_2 -DUPGRADE_MBCCH -DMULTI_BCCH_READY_IND -DURR_MRAT_ICS_SEARCH -DUPGRADE_ICS -DMRAT_NAS -DUPGRADE_PLMS_SEARCH_API -DICS_MBCCH -DICS_MBCCH_2G_RSSI -DDIAG_NEWPP -DPHS_SW_DEMO -DPHS_SW_DEMO_TTC -DPHS_SW_DEMO_TTC_PM -DFULL_SYSTEM -D_DDR_INIT_ -D_TAVOR_HARBELL_ -DUPGRADE_ARBEL_PLATFORM -D_TAVOR_B0_SILICON_ -DTDL1C_SPY_ENABLE -DDLM_TAVOR -DTAVOR -DFLAVOR_DUALCORE -DDEBUG_D2_MOR_REG_RESEREVED_ENABLE -D_DIAG_USE_COMMSTACK_ -D_TAVOR_DIAG_ -DPM_DEBUG_MODE_ENABLED -DPM_D2FULL_MODE -DPM_EXT_DBG_INT_ARR -DFEATURE_WB_AMR_PS -DMACRO_FOR_LWG -DHL_LWG -DOPTIMIZE_FOR_2G_BCCH -DPLAT_TEST -D_FDI_USE_OSA_ -DPLAT_USE_THREADX -DLWIP_IPNETBUF_SUPPORT -DCRANE_MCU_DONGLE -DAT_OVER_UART -DPHS_SW_DEMO_TTC_PM -DUPGRADE_LTE_ONLY -DEXT_AT_MODEM_SUPPORT -DLTEONLY_THIN_SINGLE_SIM -DLFS_FILE_SYS -DLFS_FILE_SYS_V2 -DPSM_ENABLE -DNO_PAHO_MQTT -DNO_XML -DNO_LWM2M -DREMOVE_MBEDTLS -DNO_AT_NET -DCRANE_SD_NOT_SUPPORT -DNTP -DYMODEM_EEH_DUMP -DENABLE_DM_LTEONLY -DLTEONLY_THIN -DNO_EXTEND_MY_Q_AT -DNOT_SUPPORT_HTTPS -DNOT_SUPPORT_PM813 -DCRANEL_4MRAM -DREMOVE_PB -DUART_NEW_VERSION -DREMOVE_MEP -DREMOVE_SMS -DREMOVE_ENVSIM -DAPN_INCODE -DLTEONLY_THIN_SINGLE_SIM_2MFLASH -DASR160X_OPENCPU_FEATURE -DENABLE_UART3_FEATRUE -DENABLE_UART4_FEATRUE -DYUGE_MBEDTLS_3_2_1 -DENABLE_MAC_TX_DATA_LOGGING -DDISABLE_NVRAM_ACCESS -DINTEL_UPGRADE_EE_HANDLER_SUPPORT -DLTE_W_PS -DL1_DUAL_MODE -DUPGRADE_HERMON_DUAL -DINTEL_UPGRADE_DUAL_RAT -DINTEL_UPGRADE_GPRS_CIPHER_FLUSH -DUPGRADE_ENHANCED_QUAD_BAND -DINTEL_2CHIP_PLAT -DI_2CHIP_PLAT -DUPGRDE_TAVOR_COMMUNICATION -DRUN_WIRELESS_MODEM -DFLAVOR_DDR12MB_GB1MB5 -DFEATURE_SHMEM -DACIPC_ENABLE_NEW_CALLBACK_MECHANISM -DRELIABLE_DATA -DMAP_NSS -DTV_FNAME="\"SW_PLATFORM=PMD2NONE PHS_SW_DEMO PHS_SW_DEMO_PM SRCNUCLEUS FULL_SYSTEM NOACRTC PDFLT PLAT_TEST PV2 DIAGOSHMEM NVM WITHL1V\"" -DTV_FDESC="\"SW_DESCRIPTION=\"" -DENABLE_ACIPC -D_DATAOMSL_ENABLED_ -DUSB_CABLE_DETECTION_VIA_PMIC -DMIPS_TEST -DMIPS_TEST_RAM -DFLAVOR_DIET_RAM -DNVM_INCLUDE -DMSL_INCLUDE -DMSL_POOL_MEM -DNO_AUDIO -DOSA_QUEUE_NAMES -D_DIAG_DISABLE_USB_ -DOSA_NUCLEUS -DOSA_USED -DPM_D2NONE_MODE -DCRANE_SOC_TEMPERATURE_SENSOR -DL1_SW_UPDATE_FOR_DIGRF -DPHS_L1_SW_UPDATE_R7 -DUPGRADE_LTE -DFRBD_CALIB_NVM -DFRBD_AGC_CALIB -DFRBD_FDT_CALIB -DHSPA_MPR -DCAPT_PARAMS_OPTIMIZE -DL1_WB_R99_ONLY -DL1V_WB_R99_ONLY -DINTERGRATED_RF_SUPPORT -DL1_RX_DIV_SUPPORT -DENABLE_OOS_HANDLING -DTAVOR_D2_WB_L1_SUPPORT -DL1_DDR_HIGH_FREQ -DUPGRADE_DIGRF3G_SUPPORT -DW_PS_PLUS_G_PAGING -D"NO_APLP=0" -DINTEL_UPGRADE_UNIFIED_VOICE_TASK -DINTEL_UPGRADE_R99 -DAPLP_SPY_ENABLE -D__TARGET_FEATURE_DOUBLEWORD -DWHOLE_UMTS_STACK -DUSE_TTPCOM_CSR_BLUETOOTH_AUDIO_GAIN_CONTROL -DL1_UPGRADE_R5 -DUPGRADE_EDGE -DUPGRADE_R4_FS1 -DINTEL_UPGRADE_GSM_CRL_IF -DUPGRADE_EGPRS_M -DINTEL_UPGRADE_EGPRS_M -DINTEL_UPGRADE_RF_PARAMS_IN_CF_TDS -DINTEL_UPGRADE_2SAMPLES_PER_SYMBOL -D"GPRS_MULTISLOT_CLASS=12" -D"EGPRS_MULTISLOT_CLASS=12" -DMARVELL_UPGRADE_BSIC_REDESIGN -DMSL_INCLUDE -DINTEL_HERMON_SAC -DCRANE_CUST_BUILD -DL1_SW_UPDATE_FOR_DIGRF -DFLAVOR_COM -DSILICON_PV2 -DSILICON_SEAGULL -DSILICON_TTC_CORE_SEAGULL -DPCAC_INCLUDE -Otime -DBUILD_DATE="\"09 04 2024\"" -DBUILD_TIME="\"15:07:27\"" -Iatcmds\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\hop\telephony\yuge\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\hal\UART\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\hal\core\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\hal\PMU\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\hal\GPIO\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\os\posix\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\diag\diag_logic\src -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\csw\SysCfg\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\csw\platform\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\include\asr160x\env\win32\inc 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F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A09_WIHT_NEWRF\tools\buildimage_1606l.bat
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SDK_CUST_SKU : [THIN_SINGLE_SIM_NO_SMS]
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Platform Convertion Tools v4.01 with PS option extension
Convertion done!
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"copy NEZHAC_CP_CNR_MIFI_TX.bin to ./ "

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