改進MD5加密算法在系統密碼存儲中的研究及應用

李 強，陳登峰

（1西安建筑科技大學信息與控制工程學院 陜西 西安 710055）

（2西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院 陜西 西安 710055）

1 引言

隨著信息技術的不斷發展，大數據時代已經到來，大數據的應用在給我們生活帶來許多便利的同時，也帶來了信息泄露、信息安全等問題。目前仍有部分網站用戶名密碼通過明文密碼存儲，這樣增加了網站的風險性，密碼極易被破解，導致用戶信息泄露。因此，研究了單向散列函數（Hash函數）[1-2]，巴格達理工大學的研究人員通過新改進方法解決了安全文檔的驗證，有效進行了MD5 Hash函數的擴展[3]。羅江華[4]提出了一種基于MD5和Base64的混合加密算法，解決了查詢MD5散列值字典獲取用戶明文密碼問題，提高了用戶的密碼安全。因此，本文研究了MD5加密算法，通過對系統登錄密碼進行加密后來提高網站安全性，但由于一些常用密碼通過MD5值可以搜索到明文密碼，存在一定的弊端，因此，本文在MD5算法的基礎上通過增加密鑰空間的方法來進行改進，提高密碼儲存安全性。

2 MD5算法研究

2.1 加密方法

目前，主要加密方式有單向和雙向加密兩種。它們的區別是是否需要解密，是否雙向需要解密，單向不需要解密，例如MD5加密。一般比較常用的加密方式主要有DES加密[5]、RSA加密[6]、MD5加密，其中MD5加密算法應用較為廣泛。

2.2 MD5加密算法

MD5（Message—Digest algorithm 5）信息—摘要算法是128位且通過隨機長度的信息生成。

MD5算法具有以下特點：（1）壓縮性：即任意長度的數據經過MD5算法進行計算，結果長度一樣；（2）容易計算：給定一個原始數據，都可以計算出MD5值；（3）抗修改性：修改原始數據，MD5值也發生改變；（4）強抗碰撞：對于固定的原始數據和其MD5值，很難找到一個相同MD5數據。

3 MD5算法原理和實現改進

3.1 MD5算法基本原理

MD5算法主流程圖見圖1。

圖1 MD5主流程圖

首先對變量進行初始化，為后面應用做好準備，其次輸入需要處理的信息，對信息進行填充，之后進行分組處理數據，最終輸出MD5值。其中填充信息具體做法見流程圖2。

圖2 填充信息

其中，填充信息滿足關系式L=m*512-64，其中L為消息長度，m為倍數。

流程圖1中分組處理數據具體做法見圖3。

圖3 分組處理信息

對填充好的數據進行分組，分成512位的塊，對4個鏈接變量A、B、C、D進行初始化，其中A=0X01234567；B=0X89abcdef；C=0Xfedcba98；D=0X76543210。初始化完成后，對消息中的多個512位塊循環運行。

將4個鏈接變量a、b、c、d 組合成128位寄存器（abcd）用于保存中間結果和最終結果。

將當前512位塊分解為16個子塊，每個子塊為32位；主循環有4輪循環，每一輪處理一個塊中的16個子塊。16個子塊分別為M[0]，M[1]，…，M[15]，或表示為M[i]，其中i為1～15。

4輪迭代操作具體詳細步驟如下：

4次線性操作中用到的線性函數具體為F、G、H、I，其中：

F(x，y，z) =(x&y)|((~x)&z)；

G(x，y，z) =(x&z)|(y&(~z))；

H(x，y，z) =x^y^z；

I(x，y，z) =y^(x|(~z))；

其中，&代表與操作，|代表或操作，~代表非操作，^代表異或操作。

4種操作為：

FF(a，b，c，d，Mi，s，ti)表示 a=b+((a+(F(b，c，d)+Mi+ti)<<

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

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

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

每一輪輸出的中間和最終結果復制到寄存器abcd中，每一輪有16個寄存器。進行4輪操作，每輪16次操作。

上述操作完成后，將A、B、C、D分別加上a、b、c、d，用于下一分組數據繼續運行算法，直至輸出128位的A、B、C、D的級聯，其中低字節始于A，高字節終于D的結果，算法結束。

3.2 改進MD5算法實現

根據3.1節MD5算法基本原理通過Java語言來進行實現，實驗結果見表1。

表1 MD5實驗結果

在實際應用中，經過MD5存儲的密碼，通過前臺處理后，直接存入后臺數據庫中。然而經常會有忘記密碼的情況，有一部分人的處理方法是，如果是常用的簡單密碼通過在數據庫中找到其存儲的MD5值，通過網絡搜索就可以找到其對應的明文密碼，這樣便可以解決忘記密碼的問題。然而這種解決辦法也暴露了MD5算法的缺陷，因此在研究過程中就應該考慮這個問題，并加以解決。本文對MD5算法進行了改進，具體做法如下：

Step1：輸入密碼，通過前臺MD5算法進行轉換，將轉換結果存入到后臺Oracle數據庫中進行管理，其結果為32位16進制數。

Step2：將存入的32位16進制數的5至19位進行提取，為下一步做好準備。

Step3：隨機生成字符串，該字符串位數為15位，用于下一步替換。

Step4：將提取出的5至19位進行替換，完成后存入后臺數據庫表中。

通過Java代碼根據以上步驟對改進MD5算法進行實現，實現結果見表2。

表2 改進后結果

為了保證實驗結果的有效性，該測試數據包含數字、字母、下劃線，分析表1和表2實驗結果可以得出MD5加密算法的密鑰空間為2的128次方，改進后的MD5秘鑰空間為2的158次方，破解難度明顯增大。在系統密碼登錄過程中，因為密碼存儲結果經過兩次變換，遇到常用的簡單密碼通過在數據庫中找到其存儲的MD5值問題得以解決。

4 結語

本文研究了MD5加密算法的基本原理并通過Java語言進行實現，在實際應用過程中針對部分常用明文密碼對應的MD5值可以搜索到的問題，本文對其進行了改進，通過增加密鑰空間來提高密碼安全性，并應用在系統密碼存儲中，實驗結果表明，該方法有效。