HMAC（基于哈希的消息认证码）算法

HMAC是一种基于密码学哈希函数（如SHA-256或MD5）的消息认证码（MAC）算法。它的核心目标是在通信双方共享一个秘密密钥的前提下，验证消息的完整性和真实性。HMAC能够有效防止消息在传输过程中被篡改，并确保消息来源于合法的发送方。

1. HMAC的设计目标与背景

在网络安全中，单纯使用哈希函数（如计算消息的SHA-256摘要）并不能保证消息的真实性，因为攻击者可以同时修改消息和其哈希值。若双方共享一个密钥，则可将密钥与消息组合后哈希，但简单的组合（如H(key || message)）可能受到长度扩展攻击等威胁。HMAC通过特定的填充和迭代结构，解决了这些潜在漏洞。

2. HMAC的算法结构

HMAC的定义如下：

HMAC(K, m) = H( (K ⊕ opad) || H( (K ⊕ ipad) || m ) )

其中：

• H：选定的哈希函数（如SHA-256）。
• K：共享的密钥。
• m：待认证的消息。
• opad（外填充）：重复的字节0x5C。
• ipad（内填充）：重复的字节0x36。
• ||：拼接操作。

3. 密钥处理步骤

HMAC要求密钥长度与哈希函数的输入块长度（如SHA-256的块长度为64字节）一致：

1. 若密钥过长：先对密钥进行哈希H(K)，使其长度等于哈希输出的长度（如SHA-256输出32字节），然后右侧补零至块长度。
2. 若密钥过短：右侧补零至块长度。
3. 生成填充密钥：
   • K_ipad = K ⊕ ipad（密钥与ipad按位异或）。
   • K_opad = K ⊕ opad（密钥与opad按位异或）。

4. 计算过程详解

以SHA-256为例（块长度64字节）：

1. 内部哈希计算：
   • 构造内填充数据：inner_data = (K_ipad) || message。
   • 计算内部哈希值：H_inner = SHA-256(inner_data)。
2. 外部哈希计算：
   • 构造外填充数据：outer_data = (K_opad) || H_inner。
   • 计算最终HMAC值：HMAC = SHA-256(outer_data)。

5. 示例说明

假设密钥K = "secret"（6字节），消息m = "Hello"，使用SHA-256：

1. 密钥处理：
   • SHA-256块长度为64字节，密钥补零至64字节：
     K = "secret" + 58个零字节。
2. 生成填充密钥：
   • ipad = 0x36重复64次，opad = 0x5C重复64次。
   • K_ipad = K ⊕ ipad，K_opad = K ⊕ opad。
3. 分步计算：
   • 内部哈希：输入为K_ipad || "Hello"，计算SHA-256得到32字节的H_inner。
   • 外部哈希：输入为K_opad || H_inner，最终输出32字节的HMAC值。

6. 安全性要点

• 抵抗长度扩展攻击：由于内部哈希隐藏了密钥，攻击者无法在未知密钥时扩展输入。
• 哈希函数依赖性：安全性依赖于底层哈希函数的抗碰撞性和单向性。
• 密钥管理：密钥必须安全存储且定期更换。

7. 实际应用场景

HMAC广泛应用于：

• TLS/SSL协议：验证数据传输完整性。
• API认证：客户端和服务器通过共享密钥验证请求来源。
• 数字签名辅助：与非对称密码结合使用（如HMAC-SHA256）。

通过这种结构，HMAC在保证效率的同时，有效利用了哈希函数的安全性，成为消息认证领域的标准算法。