HMAC 详解：在 Golang 中实现消息认证码

[什么是 HMAC](#什么是 HMAC)

[HMAC 的主要用途](#HMAC 的主要用途)

[HMAC 的工作原理](#HMAC 的工作原理)

[Golang 中的 crypto/hmac 包](#Golang 中的 crypto/hmac 包)

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：

确定一个哈希函数（如 SHA256 或 MD5）和一个密钥。
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）。
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。