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奇妙的安全旅行之HMAC算法

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hi,大家好,今天我们开始介绍消息摘要算法中的HMAC(Keyed-Hashing for Message Authentication)消息认证码算法,MAC(Message Authentication Code,消息认证码算法)是含有密钥散列函数算法,兼容了MD和SHA算法的特性,并在此基础上加上了密钥,因此MAC算法也经常被称作 「HMAC」 算法。

MAC

在开始之前,我们先说下MAC算法。在现代的网络中,身份认证是一个经常会用到的功能,在身份认证过程中,有很多种方式可以保证用户信息的安全,而 MAC(message authentication code) 就是一种常用的方法。

消息认证码是对消息进行认证并确认其完整性的技术。通过使用发送者和接收者之间共享的密钥,就可以识别出是否存在伪装和篡改行为。

MAC 是通过【MAC 算法 + 密钥 + 要加密的信息】三个要素一起计算得出的。

同hash算法(消息摘要)相比,消息摘要只能保证消息的完整性,即该消息摘要B是这个消息A生成的。而MAC算法能够保证消息的正确性,即判断确实发的是消息A而不是消息C。

同公私钥体系相比,因为MAC的密钥在发送方和接收方是一样的,所以发送方和接收方都可以来生成MAC,而公私钥体系因为将公钥和私钥分开,所以增加了不可抵赖性。

MAC有很多实现方式,比较通用的是基于hash算法的MAC,比如今天我们要讲的HMAC算法。还有一种是基于分组密码的实现,比如OMAC,CBC-MAC and PMAC等。

HMAC

HMAC 算法首先它是基于信息摘要算法的。目前主要集合了MD和SHA两大系列消息摘要算法。其中MD系列的算法有HmacMD2、HmacMD4、HmacMD5三种算法;SHA系列的算法有HmacSHA1、HmacSHA224、HmacSHA256、HmacSHA384、HmacSHA512五种算法。

HMAC 算法除了需要信息摘要算法外,还需要一个密钥。HMAC的密钥可以是任何长度,如果密钥的长度超过了摘要算法信息分组的长度,则首先使用摘要算法计算密钥的摘要作为新的密钥。一般不建议使用太短的密钥,因为密钥的长度与安全强度是相关的。通常选取密钥长度不小于所选用摘要算法输出的信息摘要的长度。

MD 算法的对比

算法 摘要长度(bit) 实现方
HmacMD5 128 JDK、Bouncy Castle、Commons Codec
HmacSHA1 160 JDK、Bouncy Castle、Commons Codec
HmacSHA224 224 JDK、Bouncy Castle、Commons Codec
HmacSHA256 256 JDK、Bouncy Castle、Commons Codec
HmacSHA384 384 JDK、Bouncy Castle、Commons Codec
HmacSHA512 512 JDK、Bouncy Castle、Commons Codec

HMAC 算法实现

JDK 的 HMAC 算法实现

JDK 关于HMAC算法的实现:

// 获取 HMAC Key
public static byte[] getHmacKey(String algorithm) {
    try {
        // 1、创建密钥生成器
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
        // 2、产生密钥
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
        // 3、获取密钥
        byte[] key = secretKey.getEncoded();
        // 4、返回密钥
        return key;
    } catch (Exception e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

// HMAC 加密
public static String encryptHmac(byte[] data, byte[] key, String algorithm) {
    try {
        // 1、还原密钥
        SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, algorithm);
        // 2、创建MAC对象
        Mac mac = Mac.getInstance(algorithm);
        // 3、设置密钥
        mac.init(secretKey);
        // 4、数据加密
        byte[] bytes = mac.doFinal(data);
        // 5、生成数据
        String rs = encodeHex(bytes);
        // 6、返回十六进制加密数据
        return rs;
    } catch (Exception e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}
Bouncy Castle 的HMAC 算法实现

Bouncy Castle 关于HMAC算法的实现:

// 获取 HMAC Key
public static byte[] getHmacKey(String algorithm) {
    try {
        // 1、创建密钥生成器
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
        // 2、产生密钥
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
        // 3、获取密钥
        byte[] key = secretKey.getEncoded();
  // 4、返回密钥
        return key;
    } catch (Exception e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

// HMAC 加密
public static String encryptHmac(byte[] data, byte[] key, String algorithm) {
    HMac hmac = generateHmacByAlgorithm(algorithm);
    KeyParameter keyParameter = new KeyParameter(key);
    hmac.init(keyParameter);
    hmac.update(data, 0, data.length);
    byte[] rsData = new byte[hmac.getMacSize()];
    hmac.doFinal(rsData, 0);

    return Hex.toHexString(rsData);
}
Commons Codec 的HMAC 算法实现

Commons Codec 提供的 HMAC 算法实现:

// 获取 HMAC Key
public static byte[] getHmacKey(String algorithm) {
    try {
        // 1、创建密钥生成器
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
        // 2、产生密钥
        SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
        // 3、获取密钥
        byte[] key = secretKey.getEncoded();
  // 4、返回密钥
        return key;
    } catch (Exception e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

// HMAC 加密
public static String encryptHmac(byte[] data, byte[] key, String algorithm) {
    Mac mac = HmacUtils.getInitializedMac(HmacAlgorithms.HMAC_MD5, key);
    return Hex.encodeHexString(mac.doFinal(data));
}

❝获取完整代码请访问:

https://github.com/ForTheDevelopers/JavaSecurity

HMAC 算法的应用

1、可以验证对端用户的合法性

HMAC算法的一个典型应用是用在“挑战/响应”(Challenge/Response)身份认证中,认证流程如下:

(1) 先由客户端向服务器发出一个验证请求,(假设是浏览器的GET请求)。

(2) 服务器接到此请求后生成一个随机数并通过网络传输给客户端(此为挑战)。

(3) 客户端将收到的随机数与自己的密钥进行HMAC运算并得到一个结果作为认证证据返回给服务器(此为响应)。

(4) 与此同时,服务器也使用该随机数与存储在服务器数据库中的该客户密钥进行HMAC运算,如果服务器的运算结果与客户端传回的响应结果相同,则认为客户端是一个合法用户 。

在这个过程中,可能遭到安全攻击的是服务器发送的随机数和客户端返回的HMAC结果,而对于截获了这两个值的黑客而言这两个值是没有意义的,随机值的引入使HMAC只在当前会话中有效,大大增强了安全性和实用性。

2、发消息给对方(或从对方接收消息)

比如你和对方共享了一个密钥K,现在你要发消息给对方,既要保证消息没有被篡改(完整性),又要能证明信息确实是你本人发的(源认证),那么就把原信息和密钥K经 HMAC 计算的值一起发过去。对方接到之后,使用自己手中的密钥K和原消息计算一下HMAC的值,如果和你发送的HMAC一致,那么可以认为这个消息既没有被篡改也没有冒充。

普通散列算法和HMAC算法的区别

普通散列算法就是通过hash对要输出的数据进行摘要,接收到数据时,再同样对源数据进行散列,与给定的散列值比较,看收到的数据与计算的hash值是否一致就可以了。

通常来说,传输的数据和散列值是不同的渠道给出的,比如网页上显示MD5或SHA的散列值,但是下载链接是某个镜像网站的,这并不影响你下载到的文件的正确性。

如果要通过同一个渠道发送数据和散列值的话(比如消息认证码),就要考虑数据和散列值是否会同时被篡改的问题,如果第三方修改了数据,然后进行MD5散列,并一块发给接收方,接收方并不能察觉到数据被篡改。

而HMAC算法就可以用一把发送方和接收方都有的密钥key进行计算,而没有这个密钥key的第三方是无法计算出正确的散列值的,这样就可以防止数据的来源方被篡改。

总结

HMAC算法目前的应用场景相对还比较少,通常会直接使用加密算法来保证来源方的正确性,不过HMAC在特定场景下还是有一定用途的,大家可以根据自己的业务特点来选择使用哪种加密算法。另外也欢迎大家关注我们的公众号,回复【加解密】获取本系列的全部源码。

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