HMAC 详解：在 Golang 中实现消息认证码

目录

什么是 HMAC

HMAC 的主要用途

HMAC 的工作原理

Golang 中的 crypto/hmac 包

如何选择合适的哈希函数和密钥长度

小结

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什么是 HMAC

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）是一种基于 Hash 函数和密钥的消息认证码，由 H.Krawezyk，M.Bellare，R.Canetti 于1996年提出的一种基于 Hash 函数和密钥进行消息认证的方法，并于1997年作为 RFC2104 被公布。HMAC 将密钥、消息和哈希函数一起使用，确保消息在传输过程中不被篡改，还可以验证消息的发送者身份。

HMAC 的主要用途

HMAC 主要用于以下几个方面：

• 校验数据的完整性：HMAC可以用于校验数据在传输过程中是否被篡改，接收者通过计算接收到的消息的 HMAC，与接收到的 HMAC 进行比较，如果相同的话，可以认为数据是完整的。
• 用于身份验证：HMAC 还可以用于验证消息的发送者。因为 HMAC 的计算需要一个密钥，只有知道这个密钥的人才能生成正确的 HMAC。所以，如果一个消息的 HMAC 是正确的，可以认为这个消息确实来自声称的发送者，典型的使用场景是 OpenAPI。
• 防止重放攻击：在某些情况下，HMAC 还可用于防重放攻击。在消息中添加一个时间戳或序列号，并参与 HMAC 的计算，接收者可以拒绝那些具有旧时间戳或序列号的消息，从而防止攻击者重放旧消息。
• 安全协议：HMAC 在很多安全协议中都有应用，例如 IPSec（用于保护 Internet Protocol 通信）和 TLS（用于保护 Web 通信）。这些协议使用 HMAC 来确保数据的完整性和验证发送者的身份。

HMAC 的工作原理

HMAC 的典型使用方式如下：

1. 确定一个哈希函数（如 SHA256 或 MD5）和一个密钥。
2. 通过将密钥和消息组合，并通过哈希函数运算，生成固定大小的数据（称为消息认证码）。
3. 当消息接收者收到消息和 HMAC 时，使用同样的密钥和哈希函数对接收到的消息进行运算，然后将结果与接收到的 HMAC 进行比较，如果相同，消息就被认为是完整的且未被篡改，并且确实来自声称的发送者。

Golang 中的 crypto/hmac 包

Golang 中的 crypto/hmac 包提供了 HMAC 的实现方法。以下是 crypto/hmac 包的一些主要函数和用法：

• New 函数，接收一个哈希函数和一个密钥，返回一个用来计算 HMAC 的 hash.Hash。

h := hmac.New(sha256.New, key)

• Write 方法，可以向 HMAC 添加数据，实现了 io.Writer 接口。

_, err := h.Write(data)
if err != nil {
	log.Fatal(err)
}

• Sum 方法，返回当前的哈希值作为字节切片。可以选择提供一个已存在的字节切片，哈希值会被追加到这个切片的末尾。

result := h.Sum(nil)

• Equal 函数，用于比较两个 HMAC 是否相等，这个函数可以防止 timing attack 类型的攻击（使用相同的时间来进行比较）。

isValid := hmac.Equal(mac1, mac2)

可以看出Equal函数并不是简单地使用`==`运算符来比较两个 HMAC 值，而是使用了一种叫做"constant time comparison"的技术来做比较。这种技术可以确保比较花费的时间不依赖比较的数据，从而防止 timing attack 类型的攻击。攻击者通过计算比较操作花费的时间，可以推断出一些关于数据的信息。例如，如果比较操作花费的时间和字节数有某种关系，攻击者就可以通过改变输入，观察比较操作花费时间的变化，从而推断出正确的 HMAC 值。

以下是一个使用 crypto/hmac 包生成 HMAC 的例子，代码如下：

package main

import (
	"crypto/hmac"
	"crypto/sha256"
	"fmt"
)

func main() {
	key := []byte("secret key")
	data := []byte("message to authenticate")
	h := hmac.New(sha256.New, key)
	_, err := h.Write(data)
	if err != nil {
		fmt.Println("Error writing to HMAC:", err)
		return
	}
	result := h.Sum(nil)
	fmt.Printf("HMAC: %x\n", result)
}

这个例子是使用 SHA-256 作为底层的哈希函数，但也可以使用任何实现了 hash.Hash 接口的哈希函数。

如何选择合适的哈希函数和密钥长度

选择 HMAC 的哈希函数和密钥长度时，需要考虑以下几个因素：

• 安全需求：安全需求是决定哈希函数和密钥长度选择的最重要因素。如果需要更高的安全性，应该选择更强大的哈希函数和更长的密钥。例如，SHA-256 或 SHA-3。
• 性能需求：更强大的哈希函数和更长的密钥通常会更耗性能。如果系统对性能有严格的要求，可能需要在安全性和性能之间做出权衡。
• 兼容性：如果系统需要与其他系统交互，可能需要选择一个与其他系统兼容的哈希函数和密钥长度。

关于哈希函数，应该选择一个被广泛接受并且经过了严格安全检验的哈希函数。SHA-256 是被广泛接受的一种哈希算法，不仅提供了足够的安全性，并且在大多数现代硬件上都有很好的性能。

关于密钥长度，一般来说，密钥的长度应该至少与哈希函数的输出长度相同。例如，如果使用了 SHA-256，那么密钥长度应该至少为256位。如果密钥太短，可能会降低 HMAC的安全性。如果密钥太长，浪费服务器资源不说，也不会进一步提高 HMAC 的安全性。所以，选择一个与哈希函数输出长度相同的密钥长度是一个好的选择。

小结

本文详细讲解了如何在 Golang 中实现 HMAC，首先介绍了 HMAC 的基本概念和用途。然后详细讲解了 HMAC 的工作原理，包括如何选择哈希函数和密钥。希望能帮助你理解和有效使用 HMAC 来提高程序的全性。