MD5（Message-Digest Algorithm 5）和SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）是两种经典的密码学哈希函数，用于生成数据的固定长度“指纹”（哈希值）。尽管它们因安全性问题已逐步被淘汰（如SHA-256替代），但理解其原理对学习密码学仍有重要意义。以下是它们的核心原理解析：
一、哈希函数的共同特性
- 固定输出长度：无论输入多大，输出长度固定（MD5为128位，SHA-1为160位）。
- 确定性：相同输入始终产生相同哈希值。
- 单向性：无法从哈希值逆向推导原始数据。
- 抗碰撞性：难以找到两个不同输入产生相同哈希值（但MD5/SHA-1已失效）。
二、MD5算法原理
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输入处理：
- 填充数据：将输入数据填充至长度 ≡ 448 mod 512（即比512的倍数少64位），填充方式为首位补1，后续补0。
- 附加长度：在填充后附加原始数据长度的64位表示（小端序）。
- 分块处理：将数据分割为512位的块（每块16个32位字）。
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初始化缓冲区：
- 使用4个32位常量（A=0x67452301, B=0xEFCDAB89, C=0x98BADCFE, D=0x10325476）作为初始哈希值。
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主循环（每512位块）：
- 四轮运算：每轮对缓冲区（A,B,C,D）进行16次非线性操作（共64步），每步使用不同的逻辑函数（F, G, H, I）和常量表。
- 操作示例：
a = b + ((a + F(b,c,d) + X[k] + T[i]) <<< s)，其中X[k]为当前数据字，T[i]为常量，<<<为循环左移。 - 更新缓冲区：每块处理完后，将输出与初始缓冲区相加。
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输出：最终拼接A、B、C、D的128位哈希值（16进制表示如
d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e）。
三、SHA-1算法原理
SHA-1与MD5结构类似，但更复杂且输出更长（160位）：
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输入处理：
- 填充方式与MD5相同（长度 ≡ 448 mod 512），但附加长度为64位大端序。
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初始化缓冲区：
- 使用5个32位常量（A=0x67452301, B=0xEFCDAB89, C=0x98BADCFE, D=0x10325476, E=0xC3D2E1F0）。
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主循环（每512位块）：
- 扩展数据：将16个32位字扩展为80个字（通过异或和循环左移）。
- 四轮运算：共80步，每20步使用不同的逻辑函数（f1, f2, f3, f4）和常量K。
- 操作示例：
temp = (a <<< 5) + f_t(b,c,d) + e + K_t + W[t]，然后更新e=d, d=c, c=b<<<30, b=a, a=temp。 - 更新缓冲区：每块处理后与初始值相加。
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输出：拼接A、B、C、D、E的160位哈希值（如
da39a3ee5e6b4b0d3255bfef95601890afd80709）。
四、安全性问题
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MD5的缺陷：
- 碰撞攻击：2004年王小云团队提出高效碰撞算法（如不同文件生成相同哈希）。
- 实际案例：伪造SSL证书、恶意文件绕过校验。
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SHA-1的缺陷：
- 2017年谷歌首次公开碰撞实例（SHA-1碰撞攻击成本已降至可实践水平）。
五、应用与替代方案
- 遗留用途：校验文件完整性（但需确保无恶意碰撞风险）。
- 现代替代：SHA-256、SHA-3（Keccak）或BLAKE3等更安全的算法。
关键区别
| 特性 | MD5 | SHA-1 |
|--------------|-------------------|--------------------|
| 输出长度 | 128位（16字节） | 160位（20字节） |
| 步骤数 | 64步（4轮） | 80步（4轮） |
| 安全性 | 已完全破解 | 已不推荐使用 |
| 速度 | 更快 | 稍慢 |
理解这些原理有助于深入密码学基础，但在实际应用中务必选择更安全的哈希函数。
（本文来源：nzw6.com）
