一種基於Md5演算法的改進加密方法

科技小能手發表於2017-11-12
演算法加密

一種基於Md5演算法的改進加密方法

陳小兵 【antian365.com】
摘要 Md5加密演算法是目前網路上用得最為廣泛的一種加密演算法，很多資訊系統以及絕大多數網站都是採用Md5加密，通過使用它來加密一些系統登入時的口令以及其它一些資訊，而入侵者通過各種方法只要獲得使用者名稱以及對應的Md5值，通過暴力破解等方式破解，從而獲取其系統的普通使用者乃至管理員的許可權。本文討論了Md5加密演算法在應用方面遇到的一些問題，並且針對這種問題在基於Md5演算法的基礎上改進了加密方法，從而使用Md5加密口令方面更加安全。
關鍵字 Md5演算法 加密 改進方法

1.前言

Md5的全稱是Message-Digest Algorithm 5（資訊–摘要演算法），在90年代初由Mit Laboratory For Computer Science和Rsa Data Security Inc的Ronaldl.rivest開發出來，經md2、md3和md4發展而來。它的作用是讓大容量資訊在用數字簽名軟體簽署私人金鑰前被“壓縮”成一種保密的格式。由於md5演算法的使用不需要支付任何版權費用的，所以在一般的情況下，md5也不失為一種非常優秀的加密演算法，被大量公司和個人廣泛使用。2004年8月17日的美國加州聖巴巴拉的國際密碼學會議（Crypto’2004）上，來自中國山東大學的王小云教授做了破譯MD5、HAVAL-128、 MD4和RIPEMD演算法的報告，公佈了MD系列演算法的破解結果，MD5破解工程權威網站（[url]http://www.md5crk.com[/url]）也因此關閉，從此宣佈MD5加密演算法不再是一種安全的加密演算法。
雖然王小云教授公佈了破解MD5演算法的報告，宣告該演算法不再安全，但是對於公司以及普通使用者來說，從演算法上來破解MD5非常困難，因此MD5仍然算是一種安全的演算法。
MD5是一個安全的雜湊演算法，輸入兩個不同的明文不會得到相同的輸出值，根據輸出值，不能得到原始的明文，即其過程不可逆；所以要解密MD5沒有現成的演算法，只能用窮舉法，把可能出現的明文，用MD5演算法雜湊之後，把得到的雜湊值和原始的資料形成一個一對一的對映表，通過比在表中比破解密碼的MD5演算法雜湊值，通過匹配從對映表中找出破解密碼所對應的原始明文。
對資訊系統或者網站系統來說，MD5演算法主要用在使用者註冊口令的加密，對於普通強度的口令加密，可以通過以下三種方式進行破解：
（1）線上查詢密碼。一些線上的MD5值查詢網站提供MD5密碼值的查詢，輸入MD5密碼值後，如果在資料庫中存在，那麼可以很快獲取其密碼值。
（2）使用MD5破解工具。網路上有許多針對MD5破解的專用軟體，通過設定字典來進行破解。
（3）通過社會工程學來獲取或者重新設定使用者的口令。
因此簡單的MD5加密是沒有辦法達到絕對的安全的，因為普通的MD5加密有多種暴力破解方式，因此如果想要保證資訊系統或者網站的安全，需要對MD5進行改造，增強其安全性，本文就是在MD5加密演算法的基礎上進行改進！

2.Md5演算法應用

2.1Md5加密原理

MD5以512位分組來處理輸入的資訊，且每一分組又被劃分為16個32位子分組，經過了一系列的處理後，演算法的輸出由四個32位分組組成，將這四個32位分組級聯後將生成一個128位雜湊值。
　　在MD5演算法中，首先需要對資訊進行填充，使其位元組長度對512求餘數的結果等於448。因此，資訊的位元組長度（Bits Length）將被擴充套件至N*512+448，即N*64+56個位元組（Bytes），N為一個正整數。填充的方法如下，在資訊的後面填充一個1和無數個0，直到滿足上面的條件時才停止用0對資訊的填充。然後再在這個結果後面附加一個以64位二進位制表示的填充前的資訊長度。經過這兩步的處理，現在的資訊位元組長度=N*512+448+64=(N+1)*512，即長度恰好是512的整數倍數。這樣做的原因是為滿足後面處理中對資訊長度的要求。MD5中有四個32位被稱作連結變數（Chaining Variable）的整數引數，他們分別為：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210。 當設定好這四個連結變數後，就開始進入演算法的四輪迴圈運算，迴圈的次數是資訊中512位資訊分組的數目。
　　將上面四個連結變數複製到另外四個變數中：A到a，B到b，C到c，D到d。 主迴圈有四輪（MD4只有三輪），每輪迴圈都很相似。第一輪進行16次操作。每次操作對a、b、c和d中的其中三個作一次非線性函式運算，然後將所得結果加上第四個變數（文字中的一個子分組和一個常數）。再將所得結果向右環移一個不定的數，並加上a、b、c或d中之一。最後用該結果取代a、b、c或d中之一。 以一下是每次操作中用到的四個非線性函式（每輪一個）。
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，⊕是異或，∧是與，∨是或， 是反符號。
　　如果X、Y和Z的對應位是獨立和均勻的，那麼結果的每一位也應是獨立和均勻的。F是一個逐位運算的函式。即，如果X，那麼Y，否則Z。函式H是逐位奇偶操作符。所有這些完成之後，將A，B，C，D分別加上a，b，c，d。然後用下一分組資料繼續執行演算法，最後的輸出是A，B，C和D的級聯。最後得到的A，B，C，D就是輸出結果，A是低位，D為高位，DCBA組成128位輸出結果。

2.2 MD5的安全性

從安全的角度講，MD5的輸出為128位，若採用純強力攻擊尋找一個訊息具有給定Hash值的計算困難性為2128，用每秒可試驗1000000000個訊息的計算機需時1.07×1022年。若採用生日攻擊法，尋找有相同Hash值的兩個訊息需要試驗264個訊息，用每秒可試驗1000000000個訊息的計算機需時585年。

2.3 Md5加密演算法的應用

MD5加密演算法由於其具有較好的安全性，加之商業也可以免費使用該演算法，因此該加密演算法被廣泛使用，md5演算法主要運用在數字簽名、檔案完整性驗證以及口令加密等方面。

3.改進後的加密方法

3.1目前md5加密方法利用的缺陷

在目前的資訊系統中，對md5加密方法的利用主要通過在指令碼頁面中引用包含md5加密函式程式碼的檔案，以asp指令碼為例，在需要呼叫的頁面中加入<!–#include file=”includes/md5.asp”–>，md5.asp為md5加密函式程式碼檔案，然後直接呼叫函式MD5(sMessage)即可，md5加密後的值有16位和32位之分，如果在md5加密函式中使用的是MD5 = LCase(WordToHex(a) & WordToHex(b) & WordToHex(c) & WordToHex(d))，則表示是32位，如果使用的是MD5=LCase(WordToHex(b) & WordToHex(c))，則表示是16位。例如對明文為“123456”的值進行加密，其md5值有兩個，如下所示：
A=“123456”
password=md5(A)= 49ba59abbe56e057
password=md5(A)= e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e
如果將加密的md5值直接儲存在資料庫，當網站存在注入或者其它漏洞時，入侵者極有可能獲取使用者的密碼值，通過md5線上查詢或者暴力破解可以得到密碼。

3.2基於md5演算法的改進加密方法

本文提到的方法是在使用md5加密演算法對明文（口令）加密的基礎上，對密文進行了改變，在密文中擷取一段資料並丟棄，然後使用隨機函式填充被丟棄的資料，且整個過程不改變md5加密後的位數。其加密過程用演算法描述如下：
（1）對明文password進行md5加密，獲得密文md5（password）。
（2）使用擷取函式擷取加密後的密文，從第beginnumber位置開始擷取number位數值，得到密碼A，其中A=left(md5（password）,beginnumber-1)。
（3）使用擷取函式擷取加密後的明文的number位數後的值B，其中 B=right(md5（password），md5-digit -(beginnumber+number-1))。
（4）使用隨機函式gen_key（number）填充被擷取的number的值。
（5）變換後的密碼值為encrypt_password =A&get_key(number)&B
變數說明：
password：客戶端提交的原始密碼
encrypt_password：經過處理後的密碼
beginnumber：對原始密碼開始擷取的位置（0<beginnumber<16或者0<beginnumber<32）
number：對密碼擷取位數（0<beginnumber<16或者0<beginnumber<32）
md5-digit：md5取16位或者32位值
   解密過程跟加密過程有些類似，先對輸入的明文進行加密，接著從beginnumber處擷取前半部分得到A′，後半部分得到B′，然後從資料庫中讀出密碼中的A和B部分，最後如果A=A′並且B=B′，則認為使用者輸入的密碼跟資料庫中的密碼是匹配的。

3.關鍵程式碼與實現

   本文提及改進方法關鍵實現程式碼如下：
<!–#include file=”md5.asp”–>
<%
Function GetRandomizeCode(digit)
 Randomize
 Dim m_strRandArray,m_intRandlen,m_strRandomize,i
 m_strRandArray = Array(0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,”A”,”B”,”C”,”D”,”E”,”F”,”G”,”H”,”I”,”J”,”K”,”L”,”M”,”N”,”O”,”P”,”Q”,”R”,”S”,”T”,”U”,”V”,”W”,”X”,”Y”,”Z”)
 m_intRandlen = digit “定義隨機碼的長度
 for i = 1 to m_intRandlen
  m_strRandomize = m_strRandomize & m_strRandArray(Int((21*Rnd)))
 next
 GetRandomizeCode = lcase(m_strRandomize)
End Function 
Function encrypt_password(beginnumber,number,password,md5_digit)
 A=left(md5(password),beginnumber-1)
 B=Right(md5(password),md5_digit-(beginnumber+number-1))
 C=GetRandomizeCode(number)
 D=A&C&B
 encrypt_password=d
End Function
 %>
實現效果如圖1所示，需要加密時直接呼叫encrypt_password函式即可。
圖1 實現效果
   從圖1中可以看到第三位至第九位為隨機填充數，隨機填充數為“462hjk”。

4.討論與結束語

有人也曾經提出對md5加密演算法中的函式或者變數進行修改，從而加強在使用原md5演算法的安全，但是這種方法修改了md5原函式或者變數後，無法驗證修改後md5演算法在強度上是否跟原演算法一致。本文提出的方法是在原有md5加密的基礎上，通過對密文擷取一定位數的字串，並使用隨機數進行填充，最後得到的密文雖然是經過md5加密，但是其值已經大不一樣，因此通過md5常規破解方法是永遠也不能破解其原始密碼值，從而保證了資料的安全。雖然目前有很多攻擊方法，諸如SQL注入、跨站攻擊等，可以較容易的獲取資料庫中的值，通過本方法進行加密，在網站或者系統程式碼洩露前，其資料是相對安全的，因此具有一定參考加值。
 
參考文獻
【1】            使用md5校驗和演算法保護檔案(演算法/原理/程式) ，[url]http://www.cnitblog.com/zouzheng/archive/2007/07/27/30767.html[/url]
【2】            Asp生成隨機數函式函式，[url]http://www.diybl.com/course/4_webprogram/asp/aso_js/20071128/88214.html[/url]
【3】            淺談MD5和SHA-1被破解和應用改進策略，[url]http://trustsec.blog.51cto.com/305338/65370[/url]
 
 

 本文轉自 simeon2005 51CTO部落格，原文連結:http://blog.51cto.com/simeon/112238


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