MD5加密解密

MD5是一種廣泛使用的散列函數，它將輸入數據不可逆地映射成固定長度的哈希值，通常是128位的二進位數。在計算機科學中，哈希函數（也叫散列函數）是將任意數量的數據映射到固定數量的數據的函數，而MD5就是其中一種。本文主要從以下幾個方面進行詳細闡述。

一、MD5加密演算法原理

MD5加密演算法是由美國密碼學家羅納德·李維斯特（Ronald Linn Rivest）在1991年提出，它基於消息摘要演算法，能夠快速將任意長度的位元組序列映射為一個128位的哈希值。MD5加密演算法的基本原理如下：

1、填充數據：首先在數據末位填充一位1，然後在末尾填充足夠的0，使得填充前的長度之與512同餘448，這裡的512是MD5加密演算法的一個固定參數。

    public class MD5 {

        private static final String SPLIT_STR = "'5A827999' + F(a,b,c,d) + X[k] + T[i]";
        private static final Integer[] R = {7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22, 7, 12, 17, 22,
                5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20, 5, 9, 14, 20,
                4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23, 4, 11, 16, 23,
                6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21, 6, 10, 15, 21};
        // T是用正弦函數生成的一個表，其中k表示第k個元素的值
        private static final Integer[] T = new Integer[64];

        static {
            for (int i = 0; i < 64; i++) {
                double d = Math.abs(Math.sin(i + 1));
                T[i] = (int) (d * (1L << 32));
            }
        }

        // ...
    }

2、劃分數據：將填充後的數據劃分為多個512位的塊，然後對每個塊進行加密操作。

3、初始化變數：對每個塊進行加密操作之前，需要先對MD5加密演算法用到的四個變數進行初始化，這四個變數的初始值為固定值。

4、加密：將每個塊進行加密操作，每個塊的加密都是基於上一個塊的加密結果。最終的加密結果即為MD5值。

二、MD5加密演算法應用場景

MD5加密演算法在計算機領域中有著廣泛的應用場景，下面介紹三個典型的應用場景。

1、密碼存儲

MD5加密演算法可以用於密碼的存儲，通過將用戶輸入的明文密碼進行MD5加密，將加密後的結果存儲到資料庫中。當用戶下一次登錄時，再將輸入的密碼進行MD5加密，並與資料庫中的密文密碼進行比對，從而達到驗證用戶身份的目的。

    public class PasswordUtils {

        /**
         * 對字元串進行MD5加密
         *
         * @param src 待加密的字元串
         * @return 加密後的字元串
         */
        public static String encrypt(String src) {
            MessageDigest md5;
            try {
                md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            byte[] byteArray = src.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            byte[] md5Bytes = md5.digest(byteArray);
            StringBuilder hexValue = new StringBuilder();
            for (byte md5Byte : md5Bytes) {
                int val = ((int) md5Byte) & 0xff;
                if (val < 16) {
                    hexValue.append("0");
                }
                hexValue.append(Integer.toHexString(val));
            }
            return hexValue.toString();
        }

        // ...
    }

2、數字簽名

MD5加密演算法可以用於數字簽名，數字簽名是指用某個私鑰對信息進行簽名，再將簽名與信息一起發送給收件人，收件人使用對應的公鑰來驗證簽名的合法性。

    public class DigitalSignatureUtils {

        /**
         * 對數據進行數字簽名
         *
         * @param data 待簽名的數據
         * @param privateKey 簽名私鑰
         * @return 數字簽名
         * @throws Exception
         */
        public static byte[] sign(byte[] data, PrivateKey privateKey) throws Exception {
            Signature signature = Signature.getInstance("MD5withRSA");
            signature.initSign(privateKey);
            signature.update(data);
            return signature.sign();
        }

        /**
         * 驗證數字簽名
         *
         * @param data 原始數據
         * @param signature 簽名
         * @param publicKey 驗證公鑰
         * @return 驗證結果
         * @throws Exception
         */
        public static boolean verify(byte[] data, byte[] signature, PublicKey publicKey) throws Exception {
            Signature sig = Signature.getInstance("MD5withRSA");
            sig.initVerify(publicKey);
            sig.update(data);
            return sig.verify(signature);
        }

    }

3、文件校驗

MD5加密演算法可以用於文件校驗，因為文件的MD5值是唯一的，這意味著當用戶想要下載一個文件時，可以先對文件的MD5值進行校驗，如果MD5值一致，則表明該文件是原來的文件，否則文件就被篡改了。

    public class FileCheckUtils {

        /**
         * 計算文件MD5值
         *
         * @param file 待計算MD5值的文件
         * @return MD5值
         * @throws Exception
         */
        public static String getFileMD5(File file) throws Exception {
            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);
            byte[] buffer = new byte[1024];
            MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
            int numRead;
            do {
                numRead = fileInputStream.read(buffer);
                if (numRead > 0) {
                    md5.update(buffer, 0, numRead);
                }
            } while (numRead != -1);
            fileInputStream.close();
            byte[] md5Bytes = md5.digest();
            StringBuilder hexValue = new StringBuilder();
            for (byte md5Byte : md5Bytes) {
                int val = ((int) md5Byte) & 0xff;
                if (val < 16) {
                    hexValue.append("0");
                }
                hexValue.append(Integer.toHexString(val));
            }
            return hexValue.toString();
        }

    }

三、MD5加密演算法存在的問題

雖然MD5加密演算法在很多應用場景中都得到了廣泛的應用，但由於一些歷史原因和技術問題，MD5加密演算法在某些場景下可能存在一些問題，下面介紹兩個MD5加密演算法存在的問題。

1、碰撞攻擊

在密碼存儲、數字簽名等場景中，MD5加密演算法被用於驗證數據的完整性、安全性，但實際上，MD5加密演算法可以被破解，因為它並不是完全無法反推。碰撞攻擊是指在輸入的任意兩個不同的數據中找到相同的MD5值的過程。目前針對MD5的碰撞攻擊已經非常成熟，因此在密碼存儲、數字簽名等場景中建議使用更為安全的加密演算法。

2、MD5彩虹表攻擊

彩虹表攻擊是指對密文進行預先計算，存儲在資料庫中的彩虹表中，然後進行賬號破解的攻擊方式。虹表都是提前計算好演算法，存放在一個表格里，由於在運算速度上，計算要比破解慢得多，因此，指定長度的幾乎所有明文可能，都可以構造一張包含其MD5值的彩虹表。因此，為了增強密碼的安全性，導入「鹽值」（即隨機數）後再進行MD5加密。

    public class SaltMd5 {

        /**
         * 加鹽MD5加密
         *
         * @param src 待加密的字元串
         * @param salt 鹽值
         * @return 鹽值加密後的字元串
         */
        public static String encrypt(String src, String salt) {
            return DigestUtils.md5Hex(salt + DigestUtils.md5Hex(src));
        }

    }

總之，MD5加密演算法在現實生活中有著廣泛的應用場景，在使用時候，我們需要根據具體的業務場景來選擇加密方式，建議在密碼存儲、數字簽名等安全性要求比較高的場景下，不要使用MD5加密演算法。