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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