home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Hacker Chronicles 2 / HACKER2.BIN / 1219.MD4.DOC < prev    next >
Text File  |  1990-04-16  |  12KB  |  330 lines

  1. License to copy and use this document and the software described
  2. herein is granted provided it is identified as the "RSA Data
  3. Security, Inc. MD4 Message Digest Algorithm" in all materials
  4. mentioning or referencing this software, function, or document.
  5.  
  6. License is also granted to make derivative works provided that such
  7. works are identified as "derived from the RSA Data Security, Inc. MD4
  8. Message Digest Algorithm" in all material mentioning or referencing
  9. the derived work.
  10.  
  11. RSA Data Security, Inc. makes no representations concerning the
  12. merchantability of this algorithm or software or their suitability
  13. for any specific purpose.  It is provided "as is" without express or
  14. implied warranty of any kind.
  15.  
  16. These notices must be retained in any copies of any part of this
  17. documentation and/or software.
  18. ------------------------------------------------------------------------
  19.  
  20.          The MD4 Message Digest Algorithm
  21.          --------------------------------
  22.             by Ronald L. Rivest
  23.     MIT Laboratory for Computer Science, Cambridge, Mass. 02139
  24.                 and
  25.     RSA Data Security, Inc., Redwood City, California 94065
  26.             (Version 2/17/90 -- Revised)
  27.  
  28.  
  29. Abstract:
  30. ---------
  31.                 
  32. This note describes the MD4 message digest algorithm.  The algorithm
  33. takes as input an input message of arbitrary length and produces as
  34. output a 128-bit ``fingerprint'' or ``message digest'' of the input.
  35. It is conjectured that it is computationally infeasible to produce two
  36. messages having the same message digest, or to produce any message
  37. having a given prespecified target message digest.  The MD4 algorithm
  38. is thus ideal for digital signature applications, where a large file
  39. must be ``compressed'' in a secure manner before being signed with the
  40. RSA public-key cryptosystem.
  41.  
  42. The MD4 algorithm is designed to be quite fast on 32-bit machines.  On
  43. a SUN Sparc station, MD4 runs at 1,450,000 bytes/second.  On a DEC
  44. MicroVax II, MD4 runs at approximately 70,000 bytes/second.  On a 20MHz
  45. 80286, MD4 runs at approximately 32,000 bytes/second.  In addition, the
  46. MD4 algorithm does not require any large substitution tables; the
  47. algorithm can be coded quite compactly.
  48.  
  49. The MD4 algorithm is being placed in the public domain for review and
  50. possible adoption as a standard.  
  51.  
  52. (Note: The document supersedes an earlier draft.  The algorithm described
  53.        here is a slight modification of the one described in the draft.)
  54.  
  55.  
  56. I. Terminology and Notation
  57. ---------------------------
  58.  
  59. In this note a ``word'' is a 32-bit quantity and a byte is an 8-byte
  60. quantity.  A sequence of bits can be interpreted in a natural manner
  61. as a sequence of bytes, where each consecutive group of 8 bits is
  62. interpreted as a byte with the high-order (most significant) bit of
  63. each byte listed first.  Similarly, a sequence of bytes can be
  64. interpreted as a sequence of 32-bit words, where each consecutive
  65. group of 4 bytes is interpreted as a word with the low-order (least
  66. significant) byte given first.
  67.  
  68. Let x_i denote ``x sub i''.  If the subscript is an expression, we
  69. surround it in braces, as in x_{i+1}.  Similarly, we use ^ for
  70. superscripts (exponentiation), so that x^i denotes x to the i-th
  71. power.
  72.  
  73. Let the symbol ``+'' denote addition of words (i.e., modulo-2^32
  74. addition). Let X <<< s denote the 32-bit value obtained by circularly
  75. shifting (rotating) X left by s bit positions.  Let not(X) denote the
  76. bit-wise complement of X, and let X v Y denote the bit-wise OR of X
  77. and Y.  Let X xor Y denote the bit-wise XOR of X and Y, and let XY
  78. denote the bit-wise AND of X and Y.
  79.  
  80.  
  81. II. MD4 Algorithm Description
  82. -----------------------------
  83.  
  84. We begin by supposing that we have a b-bit message as input, and
  85. that we wish to find its message digest.  Here b is an arbitrary
  86. nonnegative integer; b may be zero, it need not be a multiple of 8,
  87. and it may be arbitrarily large. We imagine the bits of the message
  88. written down as follows:
  89.  
  90.     m_0 m_1 ... m_{b-1} .
  91.  
  92. The following five steps are performed to compute the message digest of the
  93. message.
  94.  
  95.  
  96. Step 1. Append padding bits
  97. ---------------------------
  98.  
  99. The message is ``padded'' (extended) so that its length (in bits) is
  100. congruent to 448, modulo 512.  That is, the message is extended so
  101. that it is just 64 bits shy of being a multiple of 512 bits long.
  102. Padding is always performed, even if the length of the message is
  103. already congruent to 448, modulo 512 (in which case 512 bits of
  104. padding are added).
  105.  
  106. Padding is performed as follows: a single ``1'' bit is appended to the
  107. message, and then enough zero bits are appended so that the length in bits
  108. of the padded message becomes congruent to 448, modulo 512.
  109.  
  110.  
  111. Step 2. Append length
  112. ---------------------
  113.  
  114. A 64-bit representation of b (the length of the message before the
  115. padding bits were added) is appended to the result of the previous
  116. step.  In the unlikely event that b is greater than 2^64, then only
  117. the low-order 64 bits of b are used.  (These bits are appended as two
  118. 32-bit words and appended low-order word first in accordance with the
  119. previous conventions.)
  120.  
  121. At this point the resulting message (after padding with bits and with
  122. b) has a length that is an exact multiple of 512 bits.  Equivalently,
  123. this message has a length that is an exact multiple of 16 (32-bit)
  124. words.  Let M[0 ... N-1] denote the words of the resulting message,
  125. where N is a multiple of 16.
  126.  
  127.  
  128. Step 3. Initialize MD buffer
  129. ----------------------------
  130.  
  131. A 4-word buffer (A,B,C,D) is used to compute the message digest.  Here
  132. each of A,B,C,D are 32-bit registers.  These registers are initialized
  133. to the following values (in hexadecimal, low-order bytes first):
  134.  
  135.     word A:    01 23 45 67
  136.     word B:    89 ab cd ef
  137.     word C:    fe dc ba 98
  138.     word D:    76 54 32 10
  139.  
  140.  
  141. Step 4. Process message in 16-word blocks
  142. -----------------------------------------
  143.  
  144. We first define three auxiliary functions that each take as input
  145. three 32-bit words and produce as output one 32-bit word.
  146.  
  147.     f(X,Y,Z)  =  XY v not(X)Z 
  148.     g(X,Y,Z)  =  XY v XZ v YZ 
  149.     h(X,Y,Z)  =  X xor Y xor Z 
  150.  
  151. In each bit position f acts as a conditional: if x then y else z.
  152. (The function f could have been defined using + instead of v since XY
  153. and not(X)Z will never have 1's in the same bit position.)  In each
  154. bit position g acts as a majority function: if at least two of x, y, z
  155. are on, then g has a one in that bit position, else g has a zero. It
  156. is interesting to note that if the bits of X, Y, and Z are independent
  157. and unbiased, the each bit of f(X,Y,Z) will be independent and
  158. unbiased, and similarly each bit of g(X,Y,Z) will be independent and
  159. unbiased.  The function h is the bit-wise ``xor'' or ``parity'' function;
  160. it has properties similar to those of f and g.
  161.  
  162. Do the following:
  163.  
  164. For i = 0 to N/16-1 do    /* process each 16-word block */
  165.     For j = 0 to 15 do: /* copy block i into X */
  166.       Set X[j] to M[i*16+j].
  167.     end /* of loop on j */
  168.     Save A as AA, B as BB, C as CC, and D as DD.
  169.  
  170.     [Round 1]
  171.       Let [A B C D i s] denote the operation
  172.         A = (A + f(B,C,D) + X[i]) <<< s  .
  173.       Do the following 16 operations:
  174.         [A B C D 0 3] 
  175.         [D A B C 1 7] 
  176.         [C D A B 2 11] 
  177.         [B C D A 3 19] 
  178.         [A B C D 4 3] 
  179.         [D A B C 5 7] 
  180.         [C D A B 6 11] 
  181.         [B C D A 7 19] 
  182.         [A B C D 8 3] 
  183.         [D A B C 9 7] 
  184.         [C D A B 10 11] 
  185.         [B C D A 11 19] 
  186.         [A B C D 12 3] 
  187.         [D A B C 13 7] 
  188.         [C D A B 14 11] 
  189.         [B C D A 15 19] 
  190.  
  191.     [Round 2]
  192.       Let [A B C D i s] denote the operation
  193.             A = (A + g(B,C,D) + X[i] + 5A827999) <<< s .
  194.       (The value 5A..99 is a hexadecimal 32-bit constant, written with
  195.       the high-order digit first. This constant represents the square
  196.       root of 2.  The octal value of this constant is 013240474631.
  197.           See Knuth, The Art of Programming, Volume 2
  198.       (Seminumerical Algorithms), Second Edition (1981), Addison-Wesley.
  199.       Table 2, page 660.)
  200.       Do the following 16 operations:
  201.         [A B C D 0  3] 
  202.         [D A B C 4  5] 
  203.         [C D A B 8  9] 
  204.         [B C D A 12 13] 
  205.         [A B C D 1  3] 
  206.         [D A B C 5  5] 
  207.         [C D A B 9  9] 
  208.         [B C D A 13 13] 
  209.         [A B C D 2  3] 
  210.         [D A B C 6  5] 
  211.         [C D A B 10 9] 
  212.         [B C D A 14 13] 
  213.         [A B C D 3  3] 
  214.         [D A B C 7  5] 
  215.         [C D A B 11 9] 
  216.         [B C D A 15 13] 
  217.  
  218.     [Round 3]
  219.       Let [A B C D i s] denote the operation
  220.         A = (A + h(B,C,D) + X[i] + 6ED9EBA1) <<< s
  221.       (The value 6E..A1 is a hexadecimal 32-bit constant, written with
  222.       the high-order digit first. This constant represents the square
  223.       root of 3.  The octal value of this constant is 015666365641.
  224.           See Knuth, The Art of Programming, Volume 2
  225.       (Seminumerical Algorithms), Second Edition (1981), Addison-Wesley.
  226.       Table 2, page 660.)
  227.       Do the following 16 operations:
  228.         [A B C D 0  3] 
  229.         [D A B C 8  9] 
  230.         [C D A B 4  11] 
  231.         [B C D A 12 15] 
  232.         [A B C D 2  3] 
  233.         [D A B C 10 9] 
  234.         [C D A B 6  11] 
  235.         [B C D A 14 15] 
  236.         [A B C D 1  3] 
  237.         [D A B C 9  9] 
  238.         [C D A B 5  11] 
  239.         [B C D A 13 15] 
  240.         [A B C D 3  3] 
  241.         [D A B C 11 9] 
  242.         [C D A B 7  11] 
  243.         [B C D A 15 15] 
  244.  
  245. Then perform the following additions:
  246.         A = A + AA
  247.         B = B + BB
  248.         C = C + CC
  249.         D = D + DD
  250. (That is, each of the four registers is incremented by the value it had
  251. before this block was started.)
  252.  
  253. end /* of loop on i */
  254.  
  255.  
  256. Step 5. Output
  257. --------------
  258.  
  259. The message digest produced as output is A,B,C,D.
  260. That is, we begin with the low-order byte of A, and end with the
  261. high-order byte of D.
  262.  
  263. This completes the description of MD4.  A reference implementation in
  264. C is given in the Appendix.
  265.  
  266.  
  267. III. Extensions
  268. ---------------
  269.  
  270. If more than 128 bits of output are required, then the following
  271. procedure is recommended to obtain a 256-bit output.  (There is no
  272. provision made for obtaining more than 256 bits.)
  273.  
  274. Two copies of MD4 are run in parallel over the input.  The first copy
  275. is standard as described above.  The second copy is modified as follows.
  276.  
  277. The initial state of the second copy is:
  278.     word A:    00 11 22 33
  279.     word B:    44 55 66 77
  280.     word C:    88 99 aa bb
  281.     word D:    cc dd ee ff
  282.  
  283. The magic constants in rounds 2 and 3 for the second copy of MD4 are
  284. changed from sqrt(2) and sqrt(3) to cuberoot(2) and cuberoot(3):
  285.                 Octal        Hex
  286.     Round 2 constant    012050505746    50a28be6 
  287.     Round 3 constant    013423350444    5c4dd124
  288.  
  289. Finally, after every 16-word block is processed (including the last
  290. block), the values of the A registers in the two copies are exchanged.
  291.  
  292. The final message digest is obtaining by appending the result of the
  293. second copy of MD4 to the end of the result of the first copy of MD4.
  294.  
  295.  
  296. IV. Summary
  297. ------------
  298.  
  299. The MD4 message digest algorithm is simple to implement, and provides
  300. a ``fingerprint'' or message digest of a message of arbitrary length.
  301.  
  302. It is conjectured that the difficulty of coming up with two messages
  303. having the same message digest is on the order of 2^64 operations, and
  304. that the difficulty of coming up with any message having a given
  305. message digest is on the order of 2^128 operations.  The MD4 algorithm
  306. has been carefully scrutinized for weaknesses.  It is, however, a
  307. relatively new algorithm and further security analysis is of course
  308. justified, as is the case with any new proposal of this sort.  The
  309. level of security provided by MD4 should be sufficient for
  310. implementing very high security hybrid digital signature schemes based
  311. on MD4 and the RSA public-key cryptosystem.
  312.  
  313. V. Acknowledgements
  314. -------------------
  315.  
  316. I'd like to thank Don Coppersmith, Burt Kaliski, Ralph Merkle, and
  317. Noam Nisan for numerous helpful comments and suggestions.
  318.  
  319.  
  320. APPENDIX. Reference Implementation
  321. ----------------------------------
  322.  
  323. This appendix contains the following files:
  324.     md4.h        -- a header file for using the MD4 implementation
  325.     md4.c        -- the source code for the MD4 routines
  326.     md4driver.c    -- a sample ``user'' routine
  327.     session        -- sample results of running md4driver
  328.  
  329.  
  330.