четверг, 9 апреля 2015 г.

[prog.opensource] Реализация MD5 на чистом C++11. Just For Fun :)

При реализации примера md5_bruteforce обнаружил, что практически все актуальные реализации MD5 находятся в больших или не очень больших библиотеках (вроде OpenSSL, PolarSSL, Crypto++, Botan, POCO и т.д.) И если отдельно лежащую, без лишних зависимостей, версию MD5 на чистом С еще можно найти, то вот с C++ными вариантами дело было плохо. Поэтому, взяв за основу код из POCO, сделал свое.

Получился один hpp-файл. В зависимостях только стандартная библиотека C++11. Проверял под MSVS2013, GCC 4.9.2 (Win, Linux), clang 3.4.1 (FreeBSD), clang 3.6.0 (Linux). (Upd. На длинных последовательностях (больше 4GiB), тоже проверял, работает, по крайней мере в 64-битном режиме).

Лицензия -- трехпунктная BSD + лицензия POCO + лицензия от RSA Data Security. Вроде как все OpenSource-ое, допускающее использование в любых проектах, в том числе и закрытых.

Сама реализация лежит здесь. Там же полный "проект", в котором все проверялось. Все под Svn, поскольку мне так удобнее. Если у кого-то будет время и желание взять и разместить где-то еще -- буду только рад.

Сам я вряд ли буду заниматься дальнейшим развитием этого кода, писать документацию, снабжать дополнительными примерами и т.д. Если кому-то это все нужно, спокойно берите мой код за основу и развивайте в том направлении, которое вам нужно/интересно. Если же требуются какие-то мелкие правки/дополнения/улучшения, можно написать мне, постараюсь сделать.

Под катом полный исходник реализации + примеры того, как ей можно пользоваться.

Итак, реализация:

/*

Copyright (c) 2015, The SObjectizer Project
All rights reserved.

Redistribution and use in source and binary forms, with or without
modification, are permitted provided that the following conditions are met:

- Redistributions of source code must retain the above copyright notice, this
list of conditions and the following disclaimer.

- Redistributions in binary form must reproduce the above copyright notice, this
list of conditions and the following disclaimer in the documentation and/or
other materials provided with the distribution.

- The name of the author may not be used to endorse or promote products derived
from this software without specific prior written permission.

THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED
WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF
MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO
EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL,
EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT
OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS
INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN
CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING
IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY
OF SUCH DAMAGE.

*/
// Copyright (c) 2004-2006, Applied Informatics Software Engineering GmbH.
// and Contributors.
//
// SPDX-License-Identifier:   BSL-1.0
//
//
// MD5 (RFC 1321) algorithm:
// Copyright (C) 1991-2, RSA Data Security, Inc. Created 1991. All
// rights reserved.
// 
// License to copy and use this software is granted provided that it
// is identified as the "RSA Data Security, Inc. MD5 Message-Digest
// Algorithm" in all material mentioning or referencing this software
// or this function.
//
// License is also granted to make and use derivative works provided
// that such works are identified as "derived from the RSA Data
// Security, Inc. MD5 Message-Digest Algorithm" in all material
// mentioning or referencing the derived work.
//
// RSA Data Security, Inc. makes no representations concerning either
// the merchantability of this software or the suitability of this
// software for any particular purpose. It is provided "as is"
// without express or implied warranty of any kind.
//
// These notices must be retained in any copies of any part of this
// documentation and/or software.
//

#pragma once

#include <algorithm>
#include <array>
#include <cstdint>
#include <cstring>
#include <iterator>
#include <stdexcept>
#include <string>
#include <vector>

namespace md5_cpp11
{

const std::size_t digest_length = 16;

using digest = std::array< std::uint8_t, digest_length >;

namespace details
{

templateclass T >
inline std::uint8_t
as_uint8( T what ) { return static_cast< std::uint8_t >( what ); }

templateclass T >
inline std::uint32_t
as_uint32( T what ) { return static_cast< std::uint32_t >( what ); }

templateclass T >
const std::uint8_t *
as_uint8_ptr( const T * what ) { return reinterpret_castconst std::uint8_t * >( what ); }

inline void
encode(
   std::uint8_t * output,
   const std::uint32_t * input,
   std::size_t len )
   {
      for (std::size_t i = 0, j = 0; j < len; i++, j += 4
      {
         output[j]   = as_uint8(input[i] & 0xff);
         output[j+1] = as_uint8((input[i] >> 8) & 0xff);
         output[j+2] = as_uint8((input[i] >> 16) & 0xff);
         output[j+3] = as_uint8((input[i] >> 24) & 0xff);
      }
   }

inline void
decode(
   std::uint32_t * output,
   const std::uint8_t * input,
   std::size_t len)
   {
      for (std::size_t i = 0, j = 0; j < len; i++, j += 4)
         output[i] =
               as_uint32(input[j]) |
               (as_uint32(input[j+1]) << 8) |
               (as_uint32(input[j+2]) << 16) |
               (as_uint32(input[j+3]) << 24);
   }

/* Constants for MD5Transform routine. */
const std::uint32_t S11 = 7;
const std::uint32_t S12 = 12;
const std::uint32_t S13 = 17;
const std::uint32_t S14 = 22;
const std::uint32_t S21 = 5;
const std::uint32_t S22 = 9;
const std::uint32_t S23 = 14;
const std::uint32_t S24 = 20;
const std::uint32_t S31 = 4;
const std::uint32_t S32 = 11;
const std::uint32_t S33 = 16;
const std::uint32_t S34 = 23;
const std::uint32_t S41 = 6;
const std::uint32_t S42 = 10;
const std::uint32_t S43 = 15;
const std::uint32_t S44 = 21;

/* F, G, H and I are basic MD5 functions. */
inline std::uint32_t
F( const std::uint32_t x, const std::uint32_t y, const std::uint32_t z )
return (x & y) | ((~x) & z); }

inline std::uint32_t
G( const std::uint32_t x, const std::uint32_t y, const std::uint32_t z )
return (x & z) | (y & (~z)); }

inline std::uint32_t
H( const std::uint32_t x, const std::uint32_t y, const std::uint32_t z )
return (x ^ y ^ z); }

inline std::uint32_t
I( const std::uint32_t x, const std::uint32_t y, const std::uint32_t z )
return y ^ (x | (~z)); }


/* ROTATE_LEFT rotates x left n bits. */
inline std::uint32_t
rotate_left( const std::uint32_t x, unsigned int n )
return (x << n) | (x >> (32-n)); }

/* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4.
   Rotation is separate from addition to prevent recomputation. */
inline void
FF( std::uint32_t & a,
   const std::uint32_t b, const std::uint32_t c, const std::uint32_t d,
   const std::uint32_t x, const std::uint32_t s, const std::uint32_t ac )
   {
      a += F(b, c, d) + x + ac;
      a = rotate_left(a, s);
      a += b;
   }

inline void
GG( std::uint32_t & a,
   const std::uint32_t b, const std::uint32_t c, const std::uint32_t d,
   const std::uint32_t x, const std::uint32_t s, const std::uint32_t ac )
   {
      a += G(b, c, d) + x + ac;
      a = rotate_left(a, s);
      a += b;
   }

inline void
HH( std::uint32_t & a,
   const std::uint32_t b, const std::uint32_t c, const std::uint32_t d,
   const std::uint32_t x, const std::uint32_t s, const std::uint32_t ac )
   {
      a += H(b, c, d) + x + ac;
      a = rotate_left(a, s);
      a += b;
   }

inline void
II( std::uint32_t & a,
   const std::uint32_t b, const std::uint32_t c, const std::uint32_t d,
   const std::uint32_t x, const std::uint32_t s, const std::uint32_t ac )
   {
      a += I(b, c, d) + x + ac;
      a = rotate_left(a, s);
      a += b;
   }

inline void
transform(
   std::uint32_t state[4],
   const std::uint8_t block[64] )
   {
      std::uint32_t a = state[0];
      std::uint32_t b = state[1];
      std::uint32_t c = state[2];
      std::uint32_t d = state[3];
      std::uint32_t x[16];

      decode(x, block, 64);

      /* Round 1 */
      FF (a, b, c, d, x[ 0], S11, 0xd76aa478); /* 1 */
      FF (d, a, b, c, x[ 1], S12, 0xe8c7b756); /* 2 */
      FF (c, d, a, b, x[ 2], S13, 0x242070db); /* 3 */
      FF (b, c, d, a, x[ 3], S14, 0xc1bdceee); /* 4 */
      FF (a, b, c, d, x[ 4], S11, 0xf57c0faf); /* 5 */
      FF (d, a, b, c, x[ 5], S12, 0x4787c62a); /* 6 */
      FF (c, d, a, b, x[ 6], S13, 0xa8304613); /* 7 */
      FF (b, c, d, a, x[ 7], S14, 0xfd469501); /* 8 */
      FF (a, b, c, d, x[ 8], S11, 0x698098d8); /* 9 */
      FF (d, a, b, c, x[ 9], S12, 0x8b44f7af); /* 10 */
      FF (c, d, a, b, x[10], S13, 0xffff5bb1); /* 11 */
      FF (b, c, d, a, x[11], S14, 0x895cd7be); /* 12 */
      FF (a, b, c, d, x[12], S11, 0x6b901122); /* 13 */
      FF (d, a, b, c, x[13], S12, 0xfd987193); /* 14 */
      FF (c, d, a, b, x[14], S13, 0xa679438e); /* 15 */
      FF (b, c, d, a, x[15], S14, 0x49b40821); /* 16 */

      /* Round 2 */
      GG (a, b, c, d, x[ 1], S21, 0xf61e2562); /* 17 */
      GG (d, a, b, c, x[ 6], S22, 0xc040b340); /* 18 */
      GG (c, d, a, b, x[11], S23, 0x265e5a51); /* 19 */
      GG (b, c, d, a, x[ 0], S24, 0xe9b6c7aa); /* 20 */
      GG (a, b, c, d, x[ 5], S21, 0xd62f105d); /* 21 */
      GG (d, a, b, c, x[10], S22,  0x2441453); /* 22 */
      GG (c, d, a, b, x[15], S23, 0xd8a1e681); /* 23 */
      GG (b, c, d, a, x[ 4], S24, 0xe7d3fbc8); /* 24 */
      GG (a, b, c, d, x[ 9], S21, 0x21e1cde6); /* 25 */
      GG (d, a, b, c, x[14], S22, 0xc33707d6); /* 26 */
      GG (c, d, a, b, x[ 3], S23, 0xf4d50d87); /* 27 */
      GG (b, c, d, a, x[ 8], S24, 0x455a14ed); /* 28 */
      GG (a, b, c, d, x[13], S21, 0xa9e3e905); /* 29 */
      GG (d, a, b, c, x[ 2], S22, 0xfcefa3f8); /* 30 */
      GG (c, d, a, b, x[ 7], S23, 0x676f02d9); /* 31 */
      GG (b, c, d, a, x[12], S24, 0x8d2a4c8a); /* 32 */

      /* Round 3 */
      HH (a, b, c, d, x[ 5], S31, 0xfffa3942); /* 33 */
      HH (d, a, b, c, x[ 8], S32, 0x8771f681); /* 34 */
      HH (c, d, a, b, x[11], S33, 0x6d9d6122); /* 35 */
      HH (b, c, d, a, x[14], S34, 0xfde5380c); /* 36 */
      HH (a, b, c, d, x[ 1], S31, 0xa4beea44); /* 37 */
      HH (d, a, b, c, x[ 4], S32, 0x4bdecfa9); /* 38 */
      HH (c, d, a, b, x[ 7], S33, 0xf6bb4b60); /* 39 */
      HH (b, c, d, a, x[10], S34, 0xbebfbc70); /* 40 */
      HH (a, b, c, d, x[13], S31, 0x289b7ec6); /* 41 */
      HH (d, a, b, c, x[ 0], S32, 0xeaa127fa); /* 42 */
      HH (c, d, a, b, x[ 3], S33, 0xd4ef3085); /* 43 */
      HH (b, c, d, a, x[ 6], S34,  0x4881d05); /* 44 */
      HH (a, b, c, d, x[ 9], S31, 0xd9d4d039); /* 45 */
      HH (d, a, b, c, x[12], S32, 0xe6db99e5); /* 46 */
      HH (c, d, a, b, x[15], S33, 0x1fa27cf8); /* 47 */
      HH (b, c, d, a, x[ 2], S34, 0xc4ac5665); /* 48 */

      /* Round 4 */
      II (a, b, c, d, x[ 0], S41, 0xf4292244); /* 49 */
      II (d, a, b, c, x[ 7], S42, 0x432aff97); /* 50 */
      II (c, d, a, b, x[14], S43, 0xab9423a7); /* 51 */
      II (b, c, d, a, x[ 5], S44, 0xfc93a039); /* 52 */
      II (a, b, c, d, x[12], S41, 0x655b59c3); /* 53 */
      II (d, a, b, c, x[ 3], S42, 0x8f0ccc92); /* 54 */
      II (c, d, a, b, x[10], S43, 0xffeff47d); /* 55 */
      II (b, c, d, a, x[ 1], S44, 0x85845dd1); /* 56 */
      II (a, b, c, d, x[ 8], S41, 0x6fa87e4f); /* 57 */
      II (d, a, b, c, x[15], S42, 0xfe2ce6e0); /* 58 */
      II (c, d, a, b, x[ 6], S43, 0xa3014314); /* 59 */
      II (b, c, d, a, x[13], S44, 0x4e0811a1); /* 60 */
      II (a, b, c, d, x[ 4], S41, 0xf7537e82); /* 61 */
      II (d, a, b, c, x[11], S42, 0xbd3af235); /* 62 */
      II (c, d, a, b, x[ 2], S43, 0x2ad7d2bb); /* 63 */
      II (b, c, d, a, x[ 9], S44, 0xeb86d391); /* 64 */

      state[0] += a;
      state[1] += b;
      state[2] += c;
      state[3] += d;

      /* Zeroize sensitive information. */
      std::fill( std::begin(x), std::end(x), 0);
   }

inline std::uint8_t
char_to_byte( std::string::value_type v )
   {
      if (v >= '0' && v <= '9')
         return as_uint8(v - '0');
      else if (v >= 'a' && v <= 'f')
         return as_uint8(v - 'a' + 10);
      else if (v >= 'A' && v <= 'F')
         return as_uint8(v - 'A' + 10);
      else
         throw std::invalid_argument( "non-hex symbol found in MD5 value" );
   };

/* namespace details */

class builder
   {
   public :
      inline builder()
         {
            reset();
         }
      inline ~builder()
         {
            /* Zeroize sensitive information. */
            reset();
         }

      inline builder &
      update( const std::uint8_t * what, std::size_t length )
         {
            using namespace details;

            /* Compute number of bytes mod 64 */
            std::size_t index = (count_[0] >> 3) & 0x3F;

            /* Update number of bits */
            const auto bits = as_uint32(length << 3);
            count_[0] += bits;
            if( count_[0] < bits )
               count_[1]++;
            count_[1] += as_uint32(length >> 29);

            const std::size_t part_len = 64 - index;

            /* Transform as many times as possible. */
            std::size_t i = 0;
            if( length >= part_len ) 
            {
               std::copy( what, what + part_len, buffer_ + index );
               transform( state_, buffer_ );

               for (i = part_len; i + 63 < length; i += 64)
                  transform( state_, what + i );

               index = 0;
            }

            /* Buffer remaining input */
            std::copy( what + i, what + length, buffer_ + index );

            return *this;
         }

      digest
      finalize()
         {
            using namespace details;

            static const std::uint8_t PADDING[64] = 
            {
               0x800000000,
                  00000000,
                  00000000,
                  00000000,
                  00000000,
                  00000000,
                  00000000,
                  00000000
            };
            std::uint8_t bits[8];

            /* Save number of bits */
            encode( bits, count_, 8 );

            /* Pad out to 56 mod 64. */
            const std::size_t index = (count_[0] >> 3) & 0x3f;
            const std::size_t padLen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index);
            update( PADDING, padLen );

            /* Append length (before padding) */
            update( bits, 8 );

            /* Store state in digest */
            digest result;
            result.fill( 0 );
            encode( &result.front(), state_, 16 );

            /* Zeroize sensitive information. */
            reset();

            return result;
         }

   private :
      std::uint32_t state_[4];   // state (ABCD)
      std::uint32_t count_[2];   // number of bits, modulo 2^64 (lsb first)
      std::uint8_t buffer_[64];  // input buffer

      void
      reset()
         {
            count_[0] = count_[1] = 0;
            state_[0] = 0x67452301;
            state_[1] = 0xefcdab89;
            state_[2] = 0x98badcfe;
            state_[3] = 0x10325476;

            std::fill( std::begin(buffer_), std::end(buffer_), 0 );
         }
   };

inline std::string
to_hex_string( const digest & what )
   {
      static const char digits[] = "0123456789abcdef";

      std::string result;
      result.reserve( digest_length * 2);

      forconst auto c : what )
      {
         result += digits[(c >> 4) & 0xF];
         result += digits[c & 0xF];
      }

      return result;
   }

digest
from_hex_string( const std::string & what )
   {
      using namespace details;

      if( what.size() != digest_length * 2 )
         throw std::invalid_argument( "hex representation of MD5 value "
               "must be exactly 32 bytes long" );

      digest result;
      for( std::size_t i = 0, j = 0; i < digest_length; i += 1, j += 2 )
         result[ i ] = (char_to_byte(what[j]) << 4) | (char_to_byte(what[j+1]));

      return result;
   }

inline digest
make_digest( const std::uint8_t * what, std::size_t length )
   {
      return builder{}.update( what, length ).finalize();
   }

templateclass T >
inline digest
make_digest( const T * begin, const T * end )
   {
      const std::uint8_t * const start = details::as_uint8_ptr( begin );
      const std::uint8_t * const finish = details::as_uint8_ptr( end );
      const auto length = static_cast< std::size_t >( finish - start );

      return make_digest( start, length );
   }

inline digest
make_digest( const char * what, std::size_t length )
   {
      return builder{}.update(
            details::as_uint8_ptr( what ), length ).finalize();
   }

inline digest
make_digest( const char * what )
   {
      return builder{}.update(
            details::as_uint8_ptr( what ), std::strlen( what ) ).finalize();
   }

templateclass T, typename... P >
inline digest
make_digest( const std::basic_string< T, P... > & what )
   {
      return make_digest( what.data(), what.data() + what.size() );
   }

templateclass T, typename... P >
inline digest
make_digest( const std::vector< T, P... > & what )
   {
      return make_digest( what.data(), what.data() + what.size() );
   }

templateclass T, std::size_t N >
inline digest
make_digest( const std::array< T, N > & what )
   {
      return make_digest( what.data(), what.data() + what.size() );
   }

/* namespace md5_cpp11 */

Как пользоваться.

Есть класс builder, у которого два основных метода -- update() для обработки очередной порции данных, и finalize() для получения итогового хэша и, это важно, сброса объекта builder в исходное состояние. Т.е. если вы сделали цепочку вызовов update(), а затем вызвали finalize(), то следующий update() начнет вычисление нового хэша, а не обновление предыдущего.

Метод builder::update() всего один, принимает указатель на блок данных и размер блока. Для удобства обработки разных типов блоков данных (т.к. простые вектора, C-строки, std::string, std::vector, std::array) есть несколько свободных функций make_digest:

void
containers_sample()
   {
      using namespace std;
      using namespace md5_cpp11;

      unsigned char bytes[] = { 111 };
      auto bytes_digest = make_digest( begin(bytes), end(bytes) );

      string s{ "111" };
      auto s_digest = make_digest( s );

      vector< char > v;
      v.resize( 3'1' );
      auto v_digest = make_digest( v );

      array< unsigned char3 > a;
      a.fill( '1' );
      auto a_digest = make_digest( a );
   }
Отправить комментарий