HMAC（基于哈希的消息认证码）算法

字数 2202 2025-10-28 00:29:09

HMAC（基于哈希的消息认证码）算法

题目描述：HMAC是一种使用密码散列函数（如SHA-256或MD5）结合一个秘密密钥来进行消息认证的机制。它不仅能验证数据的完整性，还能验证消息的真实性（即确认消息确实来自声称的发送方）。你的任务是理解HMAC的构造和工作原理，特别是它如何通过嵌套哈希操作来提供安全性。

解题过程：

核心概念与目标
- 问题：在网络传输或存储中，我们如何确保一段收到的消息（例如，一个API请求或软件更新包）在传输过程中没有被篡改（完整性），并且确实来自合法的发送方（真实性）？
- 简单思路：发送方和接收方共享一个秘密密钥。发送方用这个密钥对消息计算出一个“标签”（即MAC），并随消息一起发送。接收方用同样的密钥对收到的消息重新计算标签，并与收到的标签对比。如果一致，则验证通过。
- 直接哈希的缺陷：一个朴素的想法是 MAC = Hash(SecretKey + Message)。但这存在安全隐患，例如长度扩展攻击（攻击者可以在不知道密钥的情况下，在哈希值后附加新的数据并计算出有效的新MAC）。
- HMAC的解决方案：HMAC通过一种更复杂的、嵌套哈希的结构来避免这类攻击，其安全性可以归约到底层哈希函数的抗碰撞性等属性上。
HMAC的算法结构
HMAC的定义非常精妙，它使用两个哈希调用。其计算公式为：
HMAC(K, m) = H( (K' ⊕ opad) || H( (K' ⊕ ipad) || m ) )
这个公式看起来很复杂，我们将它分解成清晰的步骤。
步骤一：密钥预处理
- 输入：一个秘密密钥 K 和选定的哈希函数 H（例如，SHA-256的块大小是64字节）。
- 目标：将密钥 K 调整为一个与哈希函数块长度一致的新密钥 K'。
- 过程：
  a. 如果密钥 K 的长度等于哈希函数的块长度（对于SHA-256是64字节），则直接使用 K 作为 K'。
  b. 如果密钥 K 的长度大于块长度，则先对 K 进行哈希 H(K)，然后用哈希结果（长度较短）后面补零，直到达到块长度，得到 K'。
  c. 如果密钥 K 的长度小于块长度，则在 K 的后面补零（字节0x00），直到其长度正好等于块长度，得到 K'。
- 目的：确保后续的异或操作能够正确进行，并且密钥以固定长度参与运算。
步骤二：生成内部填充键和外部填充键
- 定义两个固定的常量：
  - ipad（inner pad）：内部填充，是字节 0x36 重复 block_size 次。例如，对于64字节的块，ipad 是64个0x36。
  - opad（outer pad）：外部填充，是字节 0x5C 重复 block_size 次。例如，对于64字节的块，opad 是64个0x5C。
- 计算：
  - inner_key = K' ⊕ ipad（将预处理后的密钥 K' 的每一个字节与 ipad 的对应字节进行异或操作）。
  - outer_key = K' ⊕ opad（将预处理后的密钥 K' 的每一个字节与 opad 的对应字节进行异或操作）。
- 效果：ipad 和 opad 是两个不同的、固定的值，通过异或操作，它们有效地将密钥 K' “随机化”成了两个不同的、与密钥相关的值。
步骤三：计算内部哈希
- 构造内部消息：将上一步得到的 inner_key 与原始消息 m 拼接起来。即 inner_message = inner_key || m。
- 计算内部哈希：对拼接后的内部消息应用哈希函数 H。得到 inner_hash = H(inner_message)。
- 目的：这是第一次哈希。密钥的“内填充”版本与消息混合，确保了消息的完整性。即使攻击者篡改了消息，inner_hash 也会改变。
步骤四：计算最终HMAC值
- 构造外部消息：将步骤二得到的 outer_key 与步骤三得到的 inner_hash 拼接起来。即 outer_message = outer_key || inner_hash。
- 计算最终哈希：对外部消息应用哈希函数 H。得到 final_hash = H(outer_message)。这个 final_hash 就是最终的HMAC值。
- 目的：这是第二次哈希（嵌套哈希）。它确保了认证标签的真实性。因为攻击者不知道密钥 K，他无法构造出正确的 outer_key，因此也无法计算出正确的最终HMAC值。这一步也有效地防御了长度扩展攻击，因为攻击者无法从 inner_hash 反推出 (K' ⊕ ipad) || m 的具体内容。

总结与验证过程：
发送方按照上述1-6步计算出消息 m 的HMAC值，然后将 (m, HMAC值) 发送给接收方。
接收方验证过程如下：

使用与发送方共享的同一个秘密密钥 K。
对收到的消息 m 重新执行上述1-6步，计算出一个本地的HMAC值。
将计算出的本地HMAC值与接收到的HMAC值进行恒定时间比较（防止时序攻击）。
如果两者完全相同，则验证成功（消息完整且真实）；否则，验证失败（消息可能被篡改或来源不可信）。

HMAC（基于哈希的消息认证码）算法题目描述：HMAC是一种使用密码散列函数（如SHA-256或MD5）结合一个秘密密钥来进行消息认证的机制。它不仅能验证数据的完整性，还能验证消息的真实性（即确认消息确实来自声称的发送方）。你的任务是理解HMAC的构造和工作原理，特别是它如何通过嵌套哈希操作来提供安全性。解题过程：核心概念与目标问题：在网络传输或存储中，我们如何确保一段收到的消息（例如，一个API请求或软件更新包）在传输过程中没有被篡改（完整性），并且确实来自合法的发送方（真实性）？简单思路：发送方和接收方共享一个秘密密钥。发送方用这个密钥对消息计算出一个“标签”（即MAC），并随消息一起发送。接收方用同样的密钥对收到的消息重新计算标签，并与收到的标签对比。如果一致，则验证通过。直接哈希的缺陷：一个朴素的想法是 MAC = Hash(SecretKey + Message) 。但这存在安全隐患，例如长度扩展攻击（攻击者可以在不知道密钥的情况下，在哈希值后附加新的数据并计算出有效的新MAC）。 HMAC的解决方案：HMAC通过一种更复杂的、嵌套哈希的结构来避免这类攻击，其安全性可以归约到底层哈希函数的抗碰撞性等属性上。 HMAC的算法结构 HMAC的定义非常精妙，它使用两个哈希调用。其计算公式为： HMAC(K, m) = H( (K' ⊕ opad) || H( (K' ⊕ ipad) || m ) ) 这个公式看起来很复杂，我们将它分解成清晰的步骤。步骤一：密钥预处理输入：一个秘密密钥 K 和选定的哈希函数 H （例如，SHA-256的块大小是64字节）。目标：将密钥 K 调整为一个与哈希函数块长度一致的新密钥 K' 。过程： a. 如果密钥 K 的长度等于哈希函数的块长度（对于SHA-256是64字节），则直接使用 K 作为 K' 。 b. 如果密钥 K 的长度大于块长度，则先对 K 进行哈希 H(K) ，然后用哈希结果（长度较短）后面补零，直到达到块长度，得到 K' 。 c. 如果密钥 K 的长度小于块长度，则在 K 的后面补零（字节0x00），直到其长度正好等于块长度，得到 K' 。目的：确保后续的异或操作能够正确进行，并且密钥以固定长度参与运算。步骤二：生成内部填充键和外部填充键定义两个固定的常量： ipad （inner pad）：内部填充，是字节 0x36 重复 block_size 次。例如，对于64字节的块， ipad 是64个0x36。 opad （outer pad）：外部填充，是字节 0x5C 重复 block_size 次。例如，对于64字节的块， opad 是64个0x5C。计算： inner_key = K' ⊕ ipad （将预处理后的密钥 K' 的每一个字节与 ipad 的对应字节进行异或操作）。 outer_key = K' ⊕ opad （将预处理后的密钥 K' 的每一个字节与 opad 的对应字节进行异或操作）。效果： ipad 和 opad 是两个不同的、固定的值，通过异或操作，它们有效地将密钥 K' “随机化”成了两个不同的、与密钥相关的值。步骤三：计算内部哈希构造内部消息：将上一步得到的 inner_key 与原始消息 m 拼接起来。即 inner_message = inner_key || m 。计算内部哈希：对拼接后的内部消息应用哈希函数 H 。得到 inner_hash = H(inner_message) 。目的：这是第一次哈希。密钥的“内填充”版本与消息混合，确保了消息的完整性。即使攻击者篡改了消息， inner_hash 也会改变。步骤四：计算最终HMAC值构造外部消息：将步骤二得到的 outer_key 与步骤三得到的 inner_hash 拼接起来。即 outer_message = outer_key || inner_hash 。计算最终哈希：对外部消息应用哈希函数 H 。得到 final_hash = H(outer_message) 。这个 final_hash 就是最终的HMAC值。目的：这是第二次哈希（嵌套哈希）。它确保了认证标签的真实性。因为攻击者不知道密钥 K ，他无法构造出正确的 outer_key ，因此也无法计算出正确的最终HMAC值。这一步也有效地防御了长度扩展攻击，因为攻击者无法从 inner_hash 反推出 (K' ⊕ ipad) || m 的具体内容。总结与验证过程：发送方按照上述1-6步计算出消息 m 的HMAC值，然后将 (m, HMAC值) 发送给接收方。接收方验证过程如下：使用与发送方共享的同一个秘密密钥 K 。对收到的消息 m 重新执行上述1-6步，计算出一个本地的HMAC值。将计算出的本地HMAC值与接收到的HMAC值进行恒定时间比较（防止时序攻击）。如果两者完全相同，则验证成功（消息完整且真实）；否则，验证失败（消息可能被篡改或来源不可信）。