IT知識百科：什麼是MD5？

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MD5，全稱為Message-Digest Algorithm 5，是一種廣泛使用的加密哈希函數，可以生成一個128位（16位元組）的哈希值（雜湊值），用于確定資訊傳輸完整一緻。MD5是雜湊演算法中的一種，它能夠将任意長度的資料輸入通過一系列複雜的運算，生成一個定長的輸出——這就是我們常說的哈希值。

MD5是由美國計算機科學家羅納德·李維斯特（Ronald Rivest）在1991年設計并釋出的。這是一種改進和增強後的版本，因為在此之前的MD2、MD3和MD4在安全性和效率上存在一定的問題。MD5的設計初衷是為了提供一種能夠快速計算且具有較高安全性的雜湊演算法。

MD5的正式釋出是在1991年，詳細的技術描述被釋出在一篇名為《The MD5 Message-Digest Algorithm》的論文中，這篇論文較長的描述了MD5算法的設計原理和實作細節。MD5在釋出後很快被廣泛應用于密碼學、資料完整性校驗和數字簽名等領域。

MD5的設計者和釋出年份

羅納德·李維斯特是麻省理工學院（MIT）的一名教授，同時也是RSA公鑰加密算法的發明人之一。作為密碼學領域的重要人物，他在設計MD5算法時，綜合了之前版本的優缺點，并在安全性和計算效率上做出了平衡。

MD5算法在1991年釋出，此時網際網路剛剛起步，各類網絡協定和資料傳輸方式尚不完善。MD5在此時的釋出，為資料傳輸的完整性和安全性提供了一種有效的解決方案。

MD5的工作原理

哈希函數

哈希函數是一種數學算法，它接收任意長度的資料輸入，通過一系列運算生成固定長度的輸出，這個輸出被稱為哈希值（或摘要）。

哈希函數的核心特性包括：

• 固定長度輸出：無論輸入資料的長度如何，哈希值的長度是固定的。
• 不可逆性：從哈希值無法反推出原始資料。
• 唯一性：不同的輸入資料生成不同的哈希值（理想情況下）。

哈希函數在計算機科學和密碼學中有廣泛應用，包括資料校驗、資料索引、密碼加密、數字簽名等。哈希函數的效率和安全性直接影響這些應用的可靠性。

MD5算法的步驟

MD5算法的第一步是對輸入資料進行填充，使其長度滿足特定條件。

填充的規則如下：

• 首先在資料末尾添加一個比特1（即0x80）。
• 然後添加足夠多的比特0，使得填充後的資料長度對512取模等于448（即比512的倍數少64位）。
• 最後，使用64位表示資料的原始長度，并将其附加到填充後的資料末尾。

例如，對于一個長度為448位的資料，填充後的長度為512位；對于一個長度為500位的資料，填充後的長度為1024位。

MD5算法使用四個32位的寄存器（A、B、C、D）作為初始狀态。

這四個寄存器被初始化為以下常數：

• A = 0x67452301
• B = 0xEFCDAB89
• C = 0x98BADCFE
• D = 0x10325476

填充後的資料被分成多個512位的資料塊，每個資料塊被進一步分成16個32位的子塊。

MD5算法對每個512位的資料塊進行處理，具體步驟如下：

1. 主循環：主循環分為四輪，每輪包含16次操作，每次操作使用不同的非線性函數（F、G、H、I）和常數值。
2. 四輪運算：
3. 第一輪：使用非線性函數F，并且每次操作中，寄存器的内容會循環左移。
4. 第二輪：使用非線性函數G，類似地，寄存器的内容會循環左移。
5. 第三輪：使用非線性函數H，進行類似的操作。
6. 第四輪：使用非線性函數I，進行最後一輪操作。

每個資料塊處理完後，算法将更新寄存器的值，這些寄存器的值會被用于處理下一個資料塊。最終的哈希值由這些寄存器的最終值連接配接而成。

MD5的内部結構

MD5算法使用四個非線性函數（F、G、H、I）來處理資料。這些函數将目前的寄存器值與資料塊進行複雜的混合，以確定哈希值的唯一性和不可逆性。

• 函數F：F(B, C, D) = (B & C) | (~B & D)
• 函數G：G(B, C, D) = (B & D) | (C & ~D)
• 函數H：H(B, C, D) = B ^ C ^ D
• 函數I：I(B, C, D) = C ^ (B | ~D)

MD5算法使用一組64個常數值（T[i]），這些常數值是在算法設計時預先計算的，定義為： [ T[i] = \lfloor 2^{32} \times |\sin(i)| \rfloor ] 其中，i取值範圍為1到64。

MD5算法的整個資料處理流程可以總結為以下幾個步驟：

1. 初始化：設定寄存器A、B、C、D的初始值。
2. 填充資料：根據規則對輸入資料進行填充。
3. 分塊處理：将填充後的資料分成多個512位的資料塊。
4. 主循環運算：對每個資料塊執行四輪非線性函數運算和常數值混合運算。
5. 更新寄存器：更新寄存器的值以處理下一個資料塊。
6. 輸出哈希值：連接配接最終寄存器的值，生成128位的MD5哈希值。

MD5的優缺點

MD5的優點

計算速度快

MD5算法的一個顯著優點是其計算速度非常快。由于MD5算法的設計較為簡潔，資料處理效率高，這使得它在需要快速生成哈希值的場景中非常适用。例如，在檔案完整性校驗和資料傳輸過程中，MD5能夠快速計算哈希值，進而提高整體效率。

實作簡單

MD5算法相對簡單且易于實作。這種簡潔性使得它可以在多種程式設計語言和平台上實作，無論是C、C++、Java，還是Python、JavaScript，都有成熟的MD5實作庫。開發人員可以友善地在各種應用中內建MD5功能。

廣泛應用

由于MD5釋出較早，并且在很長一段時間内被認為是安全的，它在衆多應用中得到了廣泛使用。例如，MD5常用于校驗檔案完整性、生成數字簽名、保護密碼等。即使在今天，盡管已知其安全性問題，MD5依然在一些非安全關鍵的應用場景中被使用。

MD5的缺點

碰撞漏洞

MD5的一個主要缺點是存在碰撞漏洞。碰撞指的是兩個不同的輸入資料生成相同的哈希值。由于MD5生成的哈希值長度有限（128位），理論上存在無限個不同的輸入可以生成相同的哈希值。2004年，研究人員成功發現了實際的MD5碰撞攻擊方法，證明MD5無法抵禦這種攻擊。

預映像攻擊

預映像攻擊是指給定一個哈希值，找到一個輸入資料使其生成這個哈希值。雖然MD5在設計時考慮了抗預映像攻擊，但随着計算能力的提升，找到預映像變得更加可行。尤其是在密碼學和數字簽名等安全關鍵應用中，這種攻擊對MD5的安全性構成了嚴重威脅。

彩虹表攻擊

彩虹表是一種預計算哈希表，通過預先計算并存儲大量可能的哈希值及其對應的輸入資料，攻擊者可以快速查找哈希值的對應輸入。由于MD5的哈希值長度較短，生成和存儲彩虹表相對容易，使得MD5更易受到彩虹表攻擊。

盡管MD5在早期廣泛用于密碼加密和數字簽名，但随着安全性問題的暴露，它在這些領域逐漸被更安全的雜湊演算法取代。尤其是在處理敏感資訊和安全關鍵應用中，MD5已不再适用。

雖然MD5常用于資料完整性校驗，但其碰撞漏洞意味着它不能完全保證資料的唯一性和安全性。對于需要高安全性的場景，推薦使用更強的雜湊演算法，如SHA-256或SHA-3。

MD5的應用

資料完整性驗證

在檔案下載下傳和傳輸過程中，確定檔案未被篡改和損壞是非常重要的。MD5常用于生成檔案的校驗碼（checksum），使用者下載下傳檔案後可以計算本地檔案的MD5值，并與伺服器提供的MD5值進行比對，進而驗證檔案的完整性。例如，許多開源軟體和大檔案下載下傳網站會提供檔案的MD5校驗碼供使用者驗證。

在網絡資料傳輸中，資料包可能會由于各種原因（如網絡幹擾）而發生錯誤。通過在傳輸前後對資料包計算MD5哈希值并進行比對，可以確定資料包在傳輸過程中未被篡改和損壞。這在資料備份和分布式系統中尤為重要。

數字簽名與證書

數字簽名是對數字資訊進行加密的哈希值，用于驗證資訊的真實性和完整性。MD5曾廣泛用于生成數字簽名，因為它可以快速生成定長哈希值，便于簽名和驗證。然而，随着MD5安全問題的暴露，越來越多的系統開始轉向更安全的雜湊演算法（如SHA-256）。

在公共密鑰基礎設施（PKI）中，數字證書用于驗證公鑰的所有權。MD5曾被用于生成證書的哈希值，確定證書的唯一性和完整性。然而，出于安全性考慮，現代PKI系統已逐漸棄用MD5，轉而使用更安全的雜湊演算法。

密碼加密

在使用者密碼管理中，存儲密碼的明文是非常不安全的。通過對密碼進行MD5哈希處理，存儲哈希值而不是明文，可以增加密碼的安全性。即使資料庫被洩露，攻擊者也難以直接獲得明文密碼。然而，由于MD5的安全性問題，現代系統通常使用更安全的雜湊演算法（如bcrypt、scrypt、Argon2）來存儲密碼。

在使用者登入時，系統會對輸入的密碼進行哈希處理，并将其與資料庫中存儲的哈希值進行比對。如果哈希值比對，說明使用者輸入了正确的密碼。這種方式可以避免在傳輸過程中暴露使用者的明文密碼。

軟體開發中的版本控制

在軟體開發過程中，管理和追蹤檔案的變化是非常重要的。通過對檔案生成MD5哈希值，開發者可以快速确定檔案是否發生了變化。這對于版本控制系統（如Git）和配置管理工具（如Ansible）非常有用，可以有效管理代碼和配置檔案的變更。

在大型軟體項目中，重複檔案會浪費存儲空間并增加管理複雜度。通過計算檔案的MD5哈希值，可以快速檢測和删除重複檔案，優化存儲空間和資源利用。

MD5的安全性問題

碰撞攻擊

碰撞攻擊指的是找到兩個不同的輸入資料，使它們生成相同的哈希值。由于MD5生成的哈希值長度有限，理論上存在無限個不同的輸入資料可以生成相同的哈希值。2004年，研究人員成功發現了實際的MD5碰撞攻擊方法，這對MD5的安全性構成了嚴重威脅。

碰撞攻擊的存在意味着攻擊者可以僞造哈希值相同的不同資料，進而繞過資料完整性校驗或數字簽名驗證。這在安全關鍵應用中是不可接受的，因為它破壞了哈希函數的唯一性和不可篡改性。

一個實際的例子是2008年，研究人員通過碰撞攻擊成功僞造了一個有效的SSL證書，使其看起來是由一個可信的證書頒發機構（CA）簽發的。這種攻擊證明了MD5在公共密鑰基礎設施中的安全性不足。

預映像攻擊

預映像攻擊指的是給定一個哈希值，找到一個輸入資料使其生成這個哈希值。盡管MD5在設計時考慮了抗預映像攻擊，但随着計算能力的提升，找到預映像變得更加可行。

預映像攻擊使得攻擊者可以僞造任意資料，使其哈希值與目标哈希值相同。

在密碼學應用和數字簽名中，預映像攻擊會對安全性産生嚴重影響。例如，如果一個數字簽名系統依賴于MD5哈希值來驗證資料的完整性和真實性，攻擊者可以通過找到與目标哈希值比對的任意資料，僞造合法的簽名。這種攻擊可能導緻僞造的交易、合同或其他重要檔案被接受為真實和合法的。

彩虹表攻擊

彩虹表是一種預計算哈希表，包含大量可能的哈希值及其對應的輸入資料。通過預先計算并存儲這些哈希值，攻擊者可以在極短的時間内查找并比對目标哈希值，找到對應的明文資料。

彩虹表攻擊使得破解哈希值變得更加容易和快速，尤其對于MD5這樣哈希長度較短的算法。攻擊者可以利用彩虹表迅速找到與哈希值對應的原始資料，進而破解存儲在資料庫中的密碼或其他敏感資訊。

為了抵禦彩虹表攻擊，可以使用“加鹽”技術。加鹽是指在原始資料（如密碼）中添加一個随機值（鹽），然後再計算哈希值。這樣，即使相同的原始資料在不同情況下生成的哈希值也不同，增加了破解的難度。

MD5的過時問題

随着計算能力的提升和密碼學研究的深入，MD5的安全性問題逐漸暴露。碰撞攻擊和預映像攻擊的有效性使得MD5在許多安全關鍵應用中不再适用。

由于MD5的安全性問題，許多系統和應用已經逐漸轉向使用更安全的雜湊演算法，例如SHA-256和SHA-3。這些算法在設計上更加複雜，哈希值長度更長，抵禦攻擊的能力更強。

MD5與其他雜湊演算法的比較

MD5與SHA-1

SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）是由美國國家安全局（NSA）設計，并由美國國家标準與技術研究院（NIST）釋出的另一種廣泛使用的雜湊演算法。SHA-1生成160位的哈希值，比MD5的128位更長，理論上更安全。

盡管SHA-1在設計上比MD5更安全，但随着計算能力的提升，SHA-1也逐漸暴露出安全性問題。2017年，谷歌和荷蘭資訊安全研究所（CWI）成功進行了SHA-1的碰撞攻擊，進一步證明了其不安全性。

SHA-1曾被廣泛應用于數字簽名、證書生成和資料完整性驗證等領域。然而，随着SHA-1安全性問題的暴露，許多系統和應用已經逐漸轉向使用SHA-256和SHA-3等更安全的雜湊演算法。

MD5與SHA-256

SHA-256（Secure Hash Algorithm 256）是SHA-2家族的一部分，生成256位的哈希值，提供了更高的安全性。SHA-256在設計上更加複雜，哈希值更長，使其在抵禦碰撞攻擊和預映像攻擊方面更為有效。

與MD5和SHA-1相比，SHA-256在安全性上有顯著提升。SHA-256在設計上考慮了許多現代密碼學攻擊方法，迄今為止，尚未發現有效的碰撞攻擊或預映像攻擊。

SHA-256廣泛應用于比特币和其他加密貨币、TLS/SSL證書、數字簽名和資料完整性驗證等領域。由于其高安全性，SHA-256成為許多現代安全協定和系統的首選雜湊演算法。

MD5與SHA-3

SHA-3（Secure Hash Algorithm 3）是最新的雜湊演算法标準，由NIST在2015年釋出。SHA-3基于Keccak算法，設計上與SHA-2完全不同，提供了更高的安全性和靈活性。

SHA-3在設計上吸取了SHA-1和SHA-2的經驗教訓，具有更強的抵禦碰撞攻擊和預映像攻擊的能力。SHA-3的内部結構更加複雜，使其在面對現代密碼學攻擊時表現出色。

SHA-3适用于需要高安全性的場景，如數字簽名、密碼學協定和資料完整性驗證。盡管SHA-3的應用尚未像SHA-2那樣廣泛，但随着時間推移，越來越多的系統和應用将逐漸采用SHA-3。

替代MD5的方案

SHA-256的應用

SHA-256可以用于檔案完整性校驗，與MD5類似，但提供了更高的安全性。通過計算檔案的SHA-256哈希值，使用者可以驗證檔案在傳輸過程中未被篡改或損壞。例如，許多開源項目和軟體釋出網站已經開始提供SHA-256校驗碼供使用者驗證下載下傳的檔案。

SHA-256在數字簽名和證書生成中廣泛應用。由于其更高的安全性，SHA-256能夠有效抵禦碰撞攻擊和預映像攻擊，確定數字簽名的真實性和完整性。現代TLS/SSL證書大多使用SHA-256生成哈希值，以提高通信安全性。

HMAC的使用

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）是一種基于哈希函數的消息認證碼，用于驗證資料的完整性和真實性。HMAC結合了哈希函數和一個密鑰，通過對消息和密鑰進行多次哈希運算，生成一個認證碼。

盡管MD5本身存在安全性問題，HMAC-MD5通過引入密鑰，提高了抵禦攻擊的能力。然而，出于安全考慮，HMAC-SHA256逐漸成為更常用的選擇。HMAC-SHA256結合了SHA-256的高安全性和HMAC的認證特性，廣泛應用于安全通信和資料保護中。

HMAC常用于安全協定（如TLS、IPsec）、API認證、資料完整性校驗等場景。通過使用HMAC，系統能夠有效驗證資料的來源和完整性，防止資料篡改和僞造。

新型雜湊演算法

• Argon2是一種現代密碼哈希函數，設計用于密碼哈希和密鑰派生。Argon2在設計上考慮了高并行性和抗側信道攻擊，提供了強大的安全性。Argon2有三個版本：Argon2d、Argon2i和Argon2id，分别側重于抗GPU攻擊、抗時間攻擊和混合攻擊。
• Bcrypt是一種基于Blowfish加密算法的密碼哈希函數，廣泛用于密碼存儲。Bcrypt通過引入鹽值和可配置的工作因子（cost factor），增加了哈希計算的複雜性和時間，使其在抵禦彩虹表攻擊和暴力破解方面非常有效。

寫在最後

最後給大家來個總結：

MD5（Message-Digest Algorithm 5）是一種廣泛使用的密碼散列函數，能夠将任意長度的輸入資料轉換成一個固定長度的128位（16位元組）散列值。這個散列值通常表示為32個十六進制數字的形式。

MD5的主要用途是用于資料完整性的校驗，例如在網絡傳輸或存儲資料時，可以通過計算資料的MD5散列值來檢測資料是否被篡改或損壞。然而，由于MD5算法已經被證明存在一些安全漏洞，如碰撞攻擊和預映像攻擊等，是以它不再被視為一種安全的密碼散列函數，不建議在需要高度安全性的場合中使用。在這些情況下，更安全的散列函數，如SHA-256或SHA-3，應該被優先考慮。