【文章內(nèi)容簡介】 實(shí)身份，防止盜用他人帳號(hào)。 本課題的主要研究內(nèi)容及設(shè)想經(jīng)過查閱大量的資料，我發(fā)現(xiàn)許多實(shí)際應(yīng)用的 MD5 系統(tǒng)都是用 C 語言編寫的，而用 Java 語言編寫的卻沒有，Java 語言是現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)上流行的跨平臺(tái)語言，具有很多其他語言沒有的優(yōu)點(diǎn)，很適合編寫 MD5 系統(tǒng)，本課題的主要研究內(nèi)容是 MD5 算法分析和對(duì) MD5 散列算法生日攻擊的實(shí)際應(yīng)用。具體研究設(shè)想是首先學(xué)習(xí) MD5 算法和生日攻擊原理，分析出它的編程思路，然后學(xué)習(xí) Java 語言，進(jìn)而編寫出能實(shí)際運(yùn)用的 MD5 鑒別系統(tǒng)軟件，和對(duì) MD5 散列算法生日攻擊的試驗(yàn)程序。鑒于 JAVA 語言不但適用于一般大規(guī)模軟件工程項(xiàng)目的開發(fā)，也適用于網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)，已經(jīng)有人成功的對(duì) MD4 和 MD5 系統(tǒng)成功地進(jìn)行了攻擊，因此有必要開發(fā)出 MD5 系統(tǒng)的 JAVA 程序并驗(yàn)證出生日攻擊的有效性，以適應(yīng)國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的發(fā)展。第 2 章 JAVA 編程語言通過對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有的密碼產(chǎn)品的調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在國內(nèi)許多產(chǎn)品都是由 C 語言編寫的，幾乎沒有用 JAVA 語言編寫的程序，我通過對(duì)密碼和JAVA 語言的學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn) JAVA 是一種非常適合密碼程序的編程語言。在本設(shè)計(jì)中，我選擇了 JAVA 作為 MD5 散列算法的編程語言?；?JAVA 語言的 MD5 系統(tǒng)更加安全，運(yùn)算速度更快并且適用于各種平臺(tái)。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7 Java 語言的特點(diǎn)Java 到底是一種什么樣的語言呢？Java 是一種簡單的面象對(duì)象的分布式的解釋的健壯的安全的結(jié)構(gòu)中立的可移植的性能很優(yōu)異的多線程動(dòng)態(tài)語言。它的主要特點(diǎn)有： （1）簡 單Java 最初是為對(duì)家用電器進(jìn)行集成控制而設(shè)計(jì)的一種語，因此它必須簡單明了。Java 語言的簡單性主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 的風(fēng)格類似于 C++，因而 C++程序員是非常熟悉的。從某種意義上講，Java 語言是C 及 C++語言的一個(gè)變種，因此，C++程序員可以很快就掌握 Java 編程技術(shù)。 摒棄了 C++中容易引發(fā)程序錯(cuò)誤的地方，如指針和內(nèi)存理。 提供了豐富的類庫。（2）面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο罂梢哉f是 Java 最重要的特性。 Java 語言的設(shè)計(jì)完全是面向?qū)ο蟮?，它不支持類?C 語言那樣的面向過程的程序設(shè)計(jì)技術(shù)。Java 支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)風(fēng)格的代碼繼承及重用。單從面向?qū)ο蟮奶匦詠砜?，Java 類似于SmallTalk，但其它特性、尤其是適用于分布式計(jì)算環(huán)境的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了SmallTalk。（3）分布式的特點(diǎn) Java 支持基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序，它是一種分布式的語言?？赏ㄟ^ 包中的類來支持各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)連接。Java 還可以通過Socket 類支持傳統(tǒng)的低級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)連接。這些特性使 Java 的解釋器跨網(wǎng)絡(luò)的下載運(yùn)行代碼成為可能，這使得應(yīng)用程序可以動(dòng)態(tài)的擴(kuò)大功能，并適應(yīng)用戶要求的變化。（4）解釋性的語言 Java 語言編譯器產(chǎn)生“字節(jié)碼 ”（bytecode） ，而不是原始的機(jī)器碼。在實(shí)際運(yùn)行 Java 時(shí)，需要利用解釋器來執(zhí)行編譯過的字節(jié)碼，所以 Java是一門解釋性的語言。Java 的字節(jié)碼提供了一種與硬件體系無關(guān)的對(duì)象文件格式，該代碼可以在多個(gè)平臺(tái)上高效的傳遞文件。（5）健壯性 Java 從根本上杜絕了某些類型編譯錯(cuò)誤出現(xiàn)的源頭，這使得編寫出可靠的軟件變得比較容易。Java 是強(qiáng)類型語言，它允許有擴(kuò)展的編譯時(shí)間來本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8檢查潛在的類型不匹配的問題。在內(nèi)存模式方面，Java 不支持指針，這就排除了利用指針改寫內(nèi)存和損壞數(shù)據(jù)的可能性。Java 對(duì)內(nèi)存垃圾的自動(dòng)收集機(jī)制可以防止產(chǎn)生內(nèi)存漏洞。例外處理是 Java 的另一特性，它使程序更加健壯。使用“try/catch/finally”語句可將所有的出錯(cuò)處理代碼集中放在一處，大大簡化了對(duì)出錯(cuò)和程序恢復(fù)任務(wù)的處理。（6）安全性 Java 是一門安全的編程語言。由于 Java 的分布式的本質(zhì)，因此安全性被放到了重要的地位，并提供了幾個(gè)層次的安全控制機(jī)制，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)免受惡意代碼的攻擊，并允許用戶放心的運(yùn)行尚未取得信任的程序。（7）體系的中立性 用 Java 編寫的程序被編譯成一種與硬件體系無關(guān)的字節(jié)碼格式。這一機(jī)制的最大好處是 Java 程序可以在任何系統(tǒng)上運(yùn)行，只要該系統(tǒng)能構(gòu)成Java 虛擬機(jī)即可。（8）可移植性 體系中立是可移植性的一個(gè)重要組成部分。Java 在語言規(guī)范方面沒有“相關(guān)實(shí)現(xiàn)” （Implentationdependent）的特點(diǎn)，且其環(huán)境本身也可移植到新的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)中。Java 編譯器是用 Java 寫成的，Java 的運(yùn)行時(shí)間系統(tǒng)用 ANSIC 編寫的，該運(yùn)行時(shí)間系統(tǒng)在“服從 POSIX”（POSIXCompliant）規(guī)范基礎(chǔ)內(nèi)具有良好的可移植性。(9) 高性能性 Java 是一種解釋性語言，永遠(yuǎn)不會(huì)像編譯型語言運(yùn)行那么快，但其速度對(duì)于運(yùn)行交互式的，具有圖形用戶界面和基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序是足夠快了。對(duì)于對(duì)速度性能要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)計(jì)了“Just in Time”的編譯器，該編譯器可以在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)在一個(gè)特定的芯片上工作，將 Java 的字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼。SUN 聲稱字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼的性能幾乎與 C 或C++一樣優(yōu)秀。（10）多線程性 Java 是一種“多線程” （Multithreaded）的語言，它對(duì)多線程提供支持，多線程可以同時(shí)處理不同的任務(wù)，改善了具有圖形用戶界面的程序的交互性。Java 內(nèi)置地提供了對(duì)多線程地支持。 包提供了一個(gè) Thread 類，該類支持方法啟動(dòng)，運(yùn)行，停止一個(gè)線程，并檢查一個(gè)線程的狀態(tài)。（11）動(dòng)態(tài)性 Java 語言能設(shè)計(jì)成能夠適應(yīng)變化的環(huán)境，它是一種“動(dòng)態(tài)的”語言。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9例如，類可以在需要時(shí)才被 Java 裝入，甚至可以跨越網(wǎng)絡(luò)而被裝入。 Java中的運(yùn)行時(shí)間類的定義使得把類動(dòng)態(tài)地鏈入一個(gè)正在運(yùn)行的系統(tǒng)成為可能。（12）豐富的 API 文檔和內(nèi)庫Java 為用戶提供了詳盡的 API 文檔說明。Java 開發(fā)工具包中的內(nèi)庫包羅萬象，應(yīng)有盡有，程序員的開發(fā)工作可以在一個(gè)較高的層次上展開。這也正是 Java 受歡迎的重要原因之一 Java 與 C/C++的區(qū)別Java 可以說是以 C/C++為基礎(chǔ)的，其基本語法與 C/C++非常相似。對(duì)于變量聲明、參數(shù)傳遞、運(yùn)算符、流控制等，Java 使用了和 C/C++相同的傳統(tǒng)。同時(shí)，Java 為了實(shí)現(xiàn)其簡單、健壯、安全等特性，擯棄了 C/C++中許多不合理的內(nèi)容。 程序設(shè)計(jì)不同Java 語言的設(shè)計(jì)是面向?qū)ο蟮?，不再支持過程式的設(shè)計(jì)方法。如下：（1） 不再支持頭文件 C/C++中的頭文件在大型系統(tǒng)中，維護(hù)困難。而 Java 不支持頭文件，類成員的類型和訪問權(quán)限都封裝在類中。（2） 不能在所有類之外定義全局變量 C/C++中，不加封裝的全局變量常常造成系統(tǒng)的崩潰。Java 通過在一個(gè)類中定義公用、靜態(tài)的變量來實(shí)現(xiàn)一個(gè)全局變量。（3） 刪除結(jié)構(gòu)和聯(lián)合 C/C++中的結(jié)構(gòu)和聯(lián)合中所有成員公有，這就帶來安全問題。Java 去掉結(jié)構(gòu)和聯(lián)合，所有內(nèi)容都封裝在類中。 數(shù)據(jù)類型不同在 Java 中，除了簡單數(shù)據(jù)類型 ——整數(shù)、實(shí)數(shù)、字符和布爾類型外，其他的數(shù)據(jù)類型都是對(duì)象。另外，在 C/C++中對(duì)于不同的平臺(tái)，相同數(shù)據(jù)類型分配不同長度的字節(jié)，增加了代碼的移植難度，但在 Java 中，對(duì)同一數(shù)據(jù)類型總是分配固定長度的位數(shù)，保證了 Java 的平臺(tái)無關(guān)性。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10 內(nèi)存管理不同Java 提供了更加優(yōu)秀的內(nèi)存管理機(jī)制。在 C 中，程序員通過庫函數(shù)malloc（）和 free 來分配和釋放內(nèi)存， C++通過運(yùn)算符 new 和 delete 完成。存在的問題是：程序釋放已釋放的內(nèi)存或未分配的內(nèi)存塊時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)崩潰；同樣，忘記釋放不再使用的內(nèi)存塊時(shí)也會(huì)逐漸耗盡系統(tǒng)資源。在Java 中，通過運(yùn)算符 new 為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象分配內(nèi)存，自動(dòng)進(jìn)行管理并進(jìn)行垃圾收集，有效的防止由于程序員誤操作導(dǎo)致的錯(cuò)誤，并更好利用了系統(tǒng)資源。 Java 中不支持指針Java 中不再支持指針，這是 Java 與 C/C++最大的區(qū)別。指針是 C/C++中最靈活、也是最容易出錯(cuò)的數(shù)據(jù)類型，且容易破壞安全性，造成系統(tǒng)的崩潰。而 Java 對(duì)指針進(jìn)行完全的控制，程序員不能直接進(jìn)行任何指針操作。同時(shí)，數(shù)組作為類在 Java 中實(shí)現(xiàn)，良好的解決了數(shù)組訪問越界這一 C/C++中不作檢查的錯(cuò)誤。 Java 平臺(tái)平臺(tái)是程序運(yùn)行的硬件或軟件環(huán)境。Java 平臺(tái)是一種與具體的軟硬件環(huán)境無關(guān)的平臺(tái)。Java 平臺(tái)由兩部分組成： Java 虛擬機(jī)和 Java 應(yīng)用程序接口（Java API） 。圖 2－1 是一個(gè)運(yùn)行在 Java 平臺(tái)上的 Java 程序，表明了 Java 虛擬機(jī)、Java 平臺(tái)及 Java API 之間的關(guān)系。Java ProgrameJava APIJava Virtual MschineHardwareBased PlatformJavaPlatform本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11圖 2－1 本章小結(jié)本章介紹了 Java 語言的發(fā)展現(xiàn)狀，特點(diǎn)以及它與 C/C++的不同之處。通過介紹可以使讀者更加清楚選擇 JAVA 作為編程語言的優(yōu)越性。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)中，非常注重通過界面進(jìn)行人機(jī)交互，用 Java 設(shè)計(jì)界面，源代碼簡便易懂。所以選擇了 Java 作為本次設(shè)計(jì)的編程語言。本章將是編程的基礎(chǔ)，是在編程前完成的基礎(chǔ)工作。第 3 章 散列函數(shù)散列(Hashing)是在信息安全中經(jīng)常用到的一種算法。它的作用是用一組固定長度的數(shù)據(jù)去表示一大串?dāng)?shù)據(jù)。針對(duì)兩組不同數(shù)據(jù)的散列結(jié)果應(yīng)當(dāng)是不同的，對(duì)于一組數(shù)據(jù)很小的改變將導(dǎo)致散列結(jié)果是很大的、難以預(yù)測(cè)的改變。同一組散列結(jié)果對(duì)應(yīng)的原始消息無窮多，因此，散列是一種無陷門的單向算法；求解與一個(gè)原始消息散列結(jié)果相同的另一個(gè)消息非常復(fù)雜，以至于幾乎無法做到，因此，散列算法可以安全地用于反篡改和零知識(shí)證明(向?qū)Ψ阶C明自己擁有與對(duì)方相同的某個(gè)信息，而又不將此信息發(fā)出)。其構(gòu)思就是接收一段明文，然后以一種不可逆的方式將它轉(zhuǎn)換成一段（通常更小）密文。理論上，所有可能的明文將散列成一個(gè)唯一的密文，但實(shí)際上通常發(fā)生的不是那樣。大多數(shù)時(shí)候，幾乎有無窮多個(gè)不同的字符串可以產(chǎn)生完全相同的散列值。但是，對(duì)于一個(gè)好的密碼散列函數(shù)來說，在實(shí)踐中應(yīng)該很難有兩個(gè)可理解的字符串散列相同的值。好的散列函數(shù)的另一個(gè)特性是輸出不以任何可辨認(rèn)的方式反映輸入。散列函數(shù)通常產(chǎn)生恒定大小的摘要。許多算法產(chǎn)生很小的摘要，但是，算法的安全性很大程度上取決于結(jié)果摘要的大小。本文研究的 MD5 就是一種能提供 128 位摘要的散列算法。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12 散列函數(shù)的定義散列函數(shù) H 是一公開函數(shù)，用于將任意長的消息沒 M 映射為較短的、固定長度的一個(gè)值 H(M)為雜湊值、雜湊碼或消息摘要。雜湊碼是消息中所有比特的函數(shù)，因此提供了一種錯(cuò)誤檢測(cè)能力，即改變消息中任何一個(gè)比特或幾個(gè)比特都會(huì)使在湊碼發(fā)生改變。散列值是以如下形式的函數(shù) H 產(chǎn)生的：h = H(M)其中，M 是變長的報(bào)文，H(M)是定長的散列值有時(shí)也成作是報(bào)文摘要，在原點(diǎn)被加到該報(bào)文上。散列碼是報(bào)文所有比特的函數(shù)值，它具有差錯(cuò)檢測(cè)能力,也就是說當(dāng)報(bào)文中任意比特或若干比特發(fā)生改變都將導(dǎo)致散列碼發(fā)生變化。接收方通過重算那個(gè)報(bào)文的散列值來鑒別該報(bào)文。因此散列函數(shù)本身不是保密的，因此需要使用一些些手段來保護(hù)散列值。 散列函數(shù)的一般結(jié)構(gòu)在最近幾年，針對(duì)散列函數(shù)的密碼分析攻擊已經(jīng)進(jìn)行了許多工作，也取得了某些成功。圖 31 所示的為具有代表性的安全散列函數(shù)的一般結(jié)構(gòu)。 Y Y Y01 1?L b b b n n IV= n n CV n CV1?L LCV CV0 1 IV ＝ 初值 CV ＝ 鏈接變量 Y ＝ 第 i 個(gè)輸入分組 f ＝ 壓縮算法iL ＝ 輸入的分組數(shù) n ＝ 散列碼長度b ＝ 輸入的分組長度圖 31 安全散列碼的一般結(jié)構(gòu)f f f本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13Figure 31 General Structure of Secure Hash Code這個(gè)結(jié)構(gòu)由 Merkle 提出，被當(dāng)作是一個(gè)迭代的散列函數(shù)。也是目前大多數(shù)散列函數(shù)的結(jié)構(gòu)。該散列函數(shù)接收一個(gè)輸入報(bào)文，將該報(bào)文分為L－1 個(gè)固定長度為 bbit 的分組，如果最后一個(gè)分組不足 bbit，可以填充