介绍

HMAC（Hash-based Message Authentication Code是一种基于哈希函数的消息认证码（MAC）算法，用于验证数据的完整性和真实性。它通过结合哈希算法与密钥来生成一个认证码，可以防止数据在传输过程中被篡改。HMAC 广泛应用于网络协议（如 TLS、IPSec 等）、数字签名以及 API 认证等场景中。

在这篇文章中，我们将深入了解 HMAC 的原理，并通过具体的计算过程来说明其如何工作。

HMAC的工作原理

HMAC 的工作原理可以通过以下几个步骤来描述：

选择哈希算法：HMAC 可以使用任何哈希函数，如 $MD5$、$SHA\text{-}1$、$SHA\text{-}256$等。算法的选择通常取决于安全要求及性能需求。
密钥处理：HMAC 算法需要一个密钥。如果密钥的长度小于哈希函数的块大小，则需要对密钥进行填充，在末尾填充 $0$。如果密钥的长度大于块大小，则首先对密钥进行哈希处理，使得密钥的长度与块大小一致。
内外填充：在 HMAC 中，密钥会被分别与两个常量值（$ipad$ 和 $opad$）进行组合：
- $ipad$（内填充）：一个由 $0x36$ 组成的块（长度等于哈希函数的块大小）。
- $opad$（外填充）：一个由 $0x5C$ 组成的块（长度等于哈希函数的块大小）。
计算过程：HMAC 的计算分为两个主要步骤：
1. 内层哈希：首先将密钥与 $ipad$ 进行异或运算，得到一个新的密钥。然后，将该新密钥与消息数据进行连接，并计算哈希值。
2. 外层哈希：接着，将密钥与 $opad$ 进行异或运算，得到一个新的密钥。然后，将该新密钥与第一步得到的哈希值进行连接，并计算哈希值。最终得到的哈希值就是 HMAC 值。

$$
\mathrm{HMAC}(K, m) = H\left((K’ \oplus \text{opad}) \,\|\, H\left((K’ \oplus \text{ipad}) ,|, m\right)\right)
$$

其中：

$ H $：哈希函数（如 SHA-256）
$ K $：原始密钥
$ m $：消息
$ K’ $：处理后的密钥，如果 $ K $ 长度大于块长度，则先哈希再填充，否则直接填充到块长度
$ \text{opad} $：外部填充常量，重复字节 0x5c
$ \text{ipad} $：内部填充常量，重复字节 0x36
$ \| $：表示字节连接
$ \oplus $：按位异或

HMAC的计算过程

下面通过具体的计算例子来详细说明 HMAC 的生成过程。假设我们使用 $SHA\text{-}256$ 哈希算法，并且给定一个密钥和消息。

步骤1：准备工作

假设：

密钥：$K = “key”$
消息：$M = “The quick brown fox jumps over the lazy dog”$

首先，$SHA\text{-}256$ 的块大小为 $64$ 字节（$512$ 位），因此我们需要将密钥扩展或截断为 $64$ 字节的长度。如果密钥小于 $64$ 字节，则通过补零使其长度达到 $64$ 字节。

密钥扩展后：

1	K = "key" => 0x6B65790000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

步骤2：内层计算

将密钥与 $ipad$（$0x36$ 的重复块）进行异或，得到内层密钥：

K ⊕ ipad = 0x6B65790000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
           ⊕ 0x3636363636363636363636363636363636363636363636363636363636363636
           ------------------------------------
           0x5D3187376C7D2D6C74702C7270657D6E7E7D696F7B7D7C0B68726D786D7E7F7E

接着，将内层密钥与消息 M 进行拼接，并对拼接后的数据进行 $SHA\text{-}256$ 哈希计算：

$$
H_1 = \mathrm{SHA\text{-}256}\left((K \oplus \mathrm{ipad}) \,\|\, M\right)
$$

步骤3：外层计算

将密钥与 $opad$（$0x5C$ 的重复块）进行异或，得到外层密钥：

K ⊕ opad = 0x6B65790000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
           ⊕ 0x5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C5C
           ------------------------------------
           0x1775744441E8B54D5F7D2A0C7640E45F2B70D1639B4D2B4C4D4D3A2B4F4F49F2

然后，将外层密钥与第一步计算得到的哈希值 $H_1$ 进行拼接，并对拼接后的数据进行 $SHA\text{-}256$ 哈希计算：

$$
HMAC = \mathrm{SHA\text{-}256}\left((K \oplus \mathrm{opad}) \,\|\, H_1\right)
$$
最终，得到的 HMAC 就是我们需要的消息认证码。

HMAC的安全性

HMAC 的安全性依赖于两个因素：

哈希函数的安全性：如果选择的哈希函数本身存在安全漏洞（如碰撞攻击），则 HMAC 的安全性也会受到影响。
密钥的管理：HMAC 依赖于密钥的机密性。如果密钥泄露，HMAC 的安全性将大大降低。

因此，建议使用强大的哈希算法（如 $SHA\text{-}256$ 或更高版本的算法），并采取合适的措施管理密钥。

HMAC的应用场景

HMAC 有许多应用场景，以下是一些常见的例子：

API认证：通过 HMAC 可以确保请求的数据未被篡改，并且能够验证请求者的身份。
数字签名：HMAC 可用于签名消息，确保消息的完整性。
加密协议：如 SSL/TLS，HMAC 用于保证数据在传输过程中不被篡改。

总结

HMAC 是一种简单而强大的消息认证码算法，它结合了哈希函数和密钥的特性，能够有效地验证消息的完整性和真实性。通过理解 HMAC 的工作原理和计算过程，我们可以更好地应用它来增强我们的数据保护能力。

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HMAC：理解其原理和计算过程

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