【字符编码系列】MD5与SHA-1

写在前面的话

本文属于 字符编码系列文章之一，更多请前往 字符编码系列。

本文中大量资料都是参考或直接复用的来源链接中的，整理本文更多的是梳理自己的知识体系，以及便于后续回顾。

TODO: 后续还需要对整个MD5以及SHA-1算法重新梳理

大纲

• MD5简介
• SHA-1简介
• MD5 与SHA-1 的比较
• MD5 与SHA-1 的算法简述
• 源码实现

MD5简介

MD5即Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法5），用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法）。

主流编程语言普遍已有MD5实现。将数据（如汉字）运算为另一固定长度值，是杂凑算法的基础原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。

MD5的特点

• 不可逆: 不可以从消息摘要中复原信息
• 压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值的长度都是固定的(128 bit)
• 抗修改性：对原数据进行任何改动，修改一个字节生成的MD5值区别也会很大
• 强抗碰撞：已知原数据和MD5，想找到一个具有相同MD5值的数据（即伪造数据）是非常困难的。
• 容易计算：从原数据计算出MD5值很容易

MD5的作用

MD5的作用是让大容量信息在用数字签名软件签署私人密钥前被"压缩"成一种保密的格式（就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的十六进制数字串）。

MD5原理简述

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

SHA-1简介

SHA是美国国家安全局设计的，由美国国家标准和技术研究院发布的一系列密码散列函数。

最初载明的算法于1993年发布，称做安全散列标准 (Secure Hash Standard)，FIPS PUB 180。这个版本常被称为 "SHA-0"。它在发布之后很快就被NSA撤回，并且以 1995年发布的修订版本 FIPS PUB 180-1 (通常称为 "SHA-1") 取代。

SHA-1的特点

• 不可逆: 不可以从消息摘要中复原信息
• 压缩性：任意长度的数据，算出的SHA-1值的长度都是固定的(160 bit)
• 抗修改性：对原数据进行任何改动，修改一个字节生成的SHA-1值区别也会很大
• 更加安全: 相比MD5，SHA-1由于摘要长度更长了，所以相比来说强行攻击SHA-1的难度更大(当然，安全都是相对而言的)
• 计算较慢：由于SHA-1的循环步骤比MD5多80:64且要处理的缓存大160比特:128比特，SHA-1的运行速度比MD5慢

SHA-1的作用

这个安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）主要适用于数字签名标准（Digital Signature Standard DSS）里面定义的数字签名算法（Digital Signature Algorithm DSA）。

对于长度小于2^64位的消息，SHA1会产生一个160位的消息摘要。当接收到消息的时候，这个消息摘要可以用来验证数据的完整性。在传输的过程中，数据很可能会发生变化，那么这时候就会产生不同的消息摘要。

SHA-1原理简述

在SHA1算法中，我们必须把原始消息（字符串，文件等）转换成位字符串。SHA1算法只接受位作为输入。假设我们对字符串“abc”产生消息摘要。首先，我们将它转换成位字符串如下：01100001 01100010 01100011 ‘a’=97 ‘b’=98 ‘c’=99 这个位字符串的长度为24

MD5 与SHA-1 的比较

由于MD5 与SHA-1均是从MD4 发展而来，它们的结构和强度等特性有很多相似之处，下表是对MD5 与SHA-1 的结构比较。

SHA-1与MD5 的最大区别在于其摘要比MD5 摘要长 32 比特。对于强行攻击，产生任何一个报文使之摘要等于给定报文摘要的难度：

• MD5 是2128 数量级的操作
• SHA-1 是2160 数量级的操作。

产生具有相同摘要的两个报文的难度：

• MD5是 264 是数量级的操作
• SHA-1 是280 数量级的操作

因而,SHA-1 对强行攻击的强度更大。但由于SHA-1 的循环步骤比MD5 多（80:64）且要处理的缓存大（160 比特:128 比特），SHA-1 的运行速度比MD5 慢。

MD5 与SHA-1 的算法简述

SHA1和MD5的算法都是从MD4算法改进而来的2种算法。

基本思路都是将信息分成N个分组，每组64个字节，每个分组都进行摘要运算。当一个分组的摘要运算完毕后，将上一个分组的结果也用于下一个分组的运算。

信息的长度（注意是bit位长度，不是字节长度）用64位表示，也要参加信息摘要运算，而且是放在最后一个分组的末尾，所以长度信息要占据8个字节。

如果信息数据最后一个分组长度小于64个字节，在后面添加0x80标志结束，如果此时数据+结束标志已经<=56个字节，还可以放入长度数据，就在结束标志到第56个字节补0，然后放入长度，如果此时信息数据+结束标志已经大于56字节，那么这个分组后面补0，进行一次摘要运算，然后再建立一个分组，前面全部补0，最后16个字节放长度，再进行一次摘要。

需要注意的地方如下。

• MD5最后生成的摘要信息是16个字节，SHA1是20个字节。
• MD5和SHA1的分组信息运算，分组里面的的数据都会被视为16个DWORD
• 而MD5算法认为这些DWORD的字节序列是LITTLE-ENDIAN(小端序)
• 而SHA1的算法认为DWORD是BIG-ENDIAN(大端序)。
• 所以在不同字节序的主机上要进行转换。放入最后一个分组的长度信息，是原始数据长度，而且是BIT位长度。

源码实现

以下这个JS试下的SHA-1方式基本就是来源于参考链接中的。

(function(exports) {
    "use strict";
    /**
     * 决定hex是大写散列还是小写散列
     * 为true为大写
     */
    var hexcase = 0;
    var b64pad = "";
    var chrsz = 8;
    /**
     * @description hex_sha1加密,据传是最安全的散列方法,不可逆
     * @param {String} s 加密内容
     * @return {String} 返回密文,hex字符串
     */
    exports.sha1_hex = function(s) {
        return binb2hex(core_sha1(str2binb(s), s.length * chrsz))
    };
    /**
     * @description b64_sha1加密,也是sha1加密的一种,不可逆
     * @param {String} s 加密内容
     * @return {String} 返回密文,base64字符串
     */
    exports.sha1_b64 = function(s) {
        return binb2b64(core_sha1(str2binb(s), s.length * chrsz))
    };
    /**
     * @description 普通字符串加密,也是sha1加密的一种,不可逆
     * @param {String} s 加密内容
     * @return {String} 返回密文,string字符串
     */
    exports.sha1_str = function(s) {
        return binb2str(core_sha1(str2binb(s), s.length * chrsz))
    };

    function hex_hmac_sha1(key, data) {
        return binb2hex(core_hmac_sha1(key, data))
    }

    function b64_hmac_sha1(key, data) {
        return binb2b64(core_hmac_sha1(key, data))
    }

    function str_hmac_sha1(key, data) {
        return binb2str(core_hmac_sha1(key, data))
    }

    function core_sha1(x, len) {
        x[len >> 5] |= 0x80 << (24 - len % 32);
        x[((len + 64 >> 9) << 4) + 15] = len;
        var w = Array(80);
        var a = 1732584193;
        var b = -271733879;
        var c = -1732584194;
        var d = 271733878;
        var e = -1009589776;
        for(var i = 0; i < x.length; i += 16) {
            var olda = a;
            var oldb = b;
            var oldc = c;
            var oldd = d;
            var olde = e;
            for(var j = 0; j < 80; j++) {
                if(j < 16) w[j] = x[i + j];
                else w[j] = rol(w[j - 3] ^ w[j - 8] ^ w[j - 14] ^ w[j - 16], 1);
                var t = safe_add(safe_add(rol(a, 5), sha1_ft(j, b, c, d)), safe_add(safe_add(e, w[j]), sha1_kt(j)));
                e = d;
                d = c;
                c = rol(b, 30);
                b = a;
                a = t
            }
            a = safe_add(a, olda);
            b = safe_add(b, oldb);
            c = safe_add(c, oldc);
            d = safe_add(d, oldd);
            e = safe_add(e, olde)
        }
        return Array(a, b, c, d, e)
    }

    function sha1_ft(t, b, c, d) {
        if(t < 20) return(b & c) | ((~b) & d);
        if(t < 40) return b ^ c ^ d;
        if(t < 60) return(b & c) | (b & d) | (c & d);
        return b ^ c ^ d
    }

    function sha1_kt(t) {
        return(t < 20) ? 1518500249 : (t < 40) ? 1859775393 : (t < 60) ? -1894007588 : -899497514
    }

    function core_hmac_sha1(key, data) {
        var bkey = str2binb(key);
        if(bkey.length > 16) bkey = core_sha1(bkey, key.length * chrsz);
        var ipad = Array(16),
            opad = Array(16);
        for(var i = 0; i < 16; i++) {
            ipad[i] = bkey[i] ^ 0x36363636;
            opad[i] = bkey[i] ^ 0x5C5C5C5C
        }
        var hash = core_sha1(ipad.concat(str2binb(data)), 512 + data.length * chrsz);
        return core_sha1(opad.concat(hash), 512 + 160)
    }

    function safe_add(x, y) {
        var lsw = (x & 0xFFFF) + (y & 0xFFFF);
        var msw = (x >> 16) + (y >> 16) + (lsw >> 16);
        return(msw << 16) | (lsw & 0xFFFF)
    }

    function rol(num, cnt) {
        return(num << cnt) | (num >>> (32 - cnt))
    }

    function str2binb(str) {
        var bin = Array();
        var mask = (1 << chrsz) - 1;
        for(var i = 0; i < str.length * chrsz; i += chrsz) bin[i >> 5] |= (str.charCodeAt(i / chrsz) & mask) << (32 - chrsz - i % 32);
        return bin
    }

    function binb2str(bin) {
        var str = "";
        var mask = (1 << chrsz) - 1;
        for(var i = 0; i < bin.length * 32; i += chrsz) str += String.fromCharCode((bin[i >> 5] >>> (32 - chrsz - i % 32)) & mask);
        return str
    }

    function binb2hex(binarray) {
        var hex_tab = hexcase ? "0123456789ABCDEF" : "0123456789abcdef";
        var str = "";
        for(var i = 0; i < binarray.length * 4; i++) {
            str += hex_tab.charAt((binarray[i >> 2] >> ((3 - i % 4) * 8 + 4)) & 0xF) + hex_tab.charAt((binarray[i >> 2] >> ((3 - i % 4) * 8)) & 0xF)
        }
        return str
    }

    function binb2b64(binarray) {
        var tab = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
        var str = "";
        for(var i = 0; i < binarray.length * 4; i += 3) {
            var triplet = (((binarray[i >> 2] >> 8 * (3 - i % 4)) & 0xFF) << 16) | (((binarray[i + 1 >> 2] >> 8 * (3 - (i + 1) % 4)) & 0xFF) << 8) | ((binarray[i + 2 >> 2] >> 8 * (3 - (i + 2) % 4)) & 0xFF);
            for(var j = 0; j < 4; j++) {
                if(i * 8 + j * 6 > binarray.length * 32) str += b64pad;
                else str += tab.charAt((triplet >> 6 * (3 - j)) & 0x3F)
            }
        }
        return str
    }
    
    // 可以将exports暴露成自己的命名空间
    Util.namespace('md5', exports);

})({});

源码

详细可以参考源码: https://github.com/dailc/charset-encoding-series

附录

博客

初次发布2017.06.17于个人博客

http://www.dailichun.com/2017/06/17/md5AndSha1.html

参考资料

• JavaScript Md5
• MD5算法原理
• MD5 和SHA-1的区别
• 数字签名算法MD5和SHA-1的比较
• SHA1和MD5算法详解和源码