iOS安全之路－－MD5

一、MD5简介

MD5的全称是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法）。其作用是对一段信息(该信息可以很大)生成信息摘要(很小)，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，云盘对文件的校验也是使用MD5) 和对用户密码的加密等。

云盘文件校验

需要说明的是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。所以MD5也并非完全安全的，现在可以搜索到许多MD5的破解软件。

二、算法描述

描述出处

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：

1.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。

2.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 = K64+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.

3.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

4.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)

5.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[i16+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*/

6.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。

三、算法实现

@implementation CATSecurity

#pragma mark --
#pragma mark -- MD5

/**
 *  get data's md5 string
 *
 *  @param data source data
 *
 *  @return md5 string
 */
+(NSString *)md5StringWithData:(NSData *)data{
    unsigned char result[CC_MD5_DIGEST_LENGTH];
    CC_MD5(data.bytes, (CC_LONG)data.length, result);
    return [NSString stringWithFormat:
            @"%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x%02x",
            result[0], result[1], result[2], result[3],
            result[4], result[5], result[6], result[7],
            result[8], result[9], result[10], result[11],
            result[12], result[13], result[14], result[15]
            ];
}

/**
 *  get data's md5 data
 *
 *  @param data source data
 *
 *  @return md5 data
 */
+(NSData *)md5DataWithData:(NSData *)data{
    unsigned char result[CC_MD5_DIGEST_LENGTH];
    CC_MD5(data.bytes, (CC_LONG)data.length, result);
    return [NSData dataWithBytes:result length:CC_MD5_DIGEST_LENGTH];
}

/**
 *  get string's md5 string
 *
 *  @param str source string
 *
 *  @return md5 string
 */
+(NSString *)md5StringWithString:(NSString *)str{
    NSData* data = [str dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding];
    return [self md5StringWithData:data];
}

@end

四、算法优化

加盐MD5（盐的复杂度决定了增加的破解难度）

/**
 *  get string's md5 string
 *
 *  @param str source string
 *  @param salt salt string
 *
 *  @return md5 string
 */
+(NSString *)md5StringWithString:(NSString *)str salt:(NSString *)salt{
    NSString* strTmp = [str stringByAppendingString:salt];
    return [self md5StringWithString:strTmp];
}

二次MD5（容易被找到规律而破解）

/**
 *  get string's multiple md5 string
 *
 *  @param str source string
 *
 *  @return md5 string
 */
+(NSString *)md5StringMultipleWithString:(NSString *)str{
    NSString* strTmp = [self md5StringWithString:str];
    strTmp = [self md5StringWithString:strTmp];
    return strTmp;
}

MD5后乱序（破解难度较大）

/**
 *  get string's disorder md5 string
 *
 *  @param str source string
 *
 *  @return md5 string
 */
+(NSString *)md5StringDisorderWithString:(NSString *)str{
    NSString *ss = [self md5StringWithString:str];
    NSString *header = [ss substringToIndex:2];
    NSString *footer = [ss substringFromIndex:2];
    ss = [footer stringByAppendingString:header];
    return ss;
}

最后附上工程地址。