加密与安全_深入了解Hmac算法（消息认证码）

小小工匠2024-03-02 12:03

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加密与安全_深入了解哈希算法中我们提到，

存储用户的哈希口令时，要加盐存储，目的就在于抵御彩虹表攻击。

java 复制代码 
digest = hash(input)

正是因为相同的输入会产生相同的输出，我们加盐的目的就在于，使得输入有所变化：

java 复制代码 
digest = hash(salt + input)

这个salt可以看作是一个额外的"认证码"，同样的输入，不同的认证码，会产生不同的输出。因此，要验证输出的哈希，必须同时提供"认证码"。

Hmac算法就是一种基于密钥的消息认证码算法，它的全称是Hash-based Message Authentication Code，是一种更安全的消息摘要算法。

Hmac算法总是和某种哈希算法配合起来用的。例如，我们使用MD5算法，对应的就是HmacMD5算法，它相当于"加盐"的MD5：

java 复制代码 
HmacMD5 ≈ md5(secure_random_key, input)

HMAC概述

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）算法是一种基于哈希函数的消息认证码算法，用于验证消息的完整性和认证消息的发送者。它结合了哈希函数和密钥，通过将密钥与消息进行哈希运算来生成消息认证码。

HMAC的计算过程如下：

  1. 首先，选择一个适当的哈希函数（如MD5、SHA-1、SHA-256等）和一个密钥。
  2. 将密钥进行适当的填充和处理，以满足哈希函数的输入长度要求。
  3. 将消息与填充后的密钥按照特定的方式进行组合。
  4. 对组合后的数据进行哈希运算。
  5. 将哈希结果作为消息认证码输出。

接收方在接收到消息后，也会使用相同的密钥和哈希函数来计算消息的HMAC值，并与发送方发送的HMAC值进行比较。如果两者一致，则消息完整且来自合法发送者；否则，可能存在消息被篡改或来自未经授权的发送者的风险。

通俗地讲，HMAC算法就像是一种"密码验证器"，它确保数据在传输过程中不被篡改。

想象你要给朋友寄一封信，但你担心信被别人篡改了。你可以用HMAC来解决这个问题。首先，你会在信封上写下你的签名。但这次不是用笔签名，而是用一种特殊的技巧来生成一个"密钥"。这个密钥就像是你的个人密码，只有你和你的朋友知道。

然后，你把这个签名和信一起寄出去。你的朋友收到信后，也知道这个密钥。他会用同样的方法再次生成签名，然后比对你寄来的签名。如果两个签名一样，说明信没有被篡改，因为只有你和你的朋友知道这个特殊的"密码"。

所以，HMAC就是通过一种双重的"密码"验证机制，确保数据的完整性和安全性。HMAC算法具有较强的安全性和广泛的应用，常用于网络通信、数据传输、数字签名等领域，以确保数据的完整性和安全性。

常见的Hmac算法

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）算法可以与许多哈希函数结合使用，常用的哈希函数包括：

  1. HMAC-MD5：使用MD5哈希函数生成HMAC。
  2. HMAC-SHA1：使用SHA-1哈希函数生成HMAC。
  3. HMAC-SHA256：使用SHA-256哈希函数生成HMAC。
  4. HMAC-SHA512：使用SHA-512哈希函数生成HMAC。

这些算法提供了不同的哈希函数选项，可以根据安全性需求和性能考虑选择适合的算法。通常情况下，较新的SHA-256和SHA-512算法被认为比MD5和SHA-1更安全，因此在安全要求较高的场景中更常用。

Code

随机的key的生成 KeyGenerator

通过使用Java标准库中的KeyGenerator生成安全的随机密钥，可以确保密钥的随机性和安全性，从而增强了加密算法的安全性。

KeyGenerator类提供了生成对称密钥的功能，可以根据指定的算法和安全随机数生成器来生成密钥。通常情况下，可以使用

  • KeyGenerator.getInstance(String algorithm)方法来获取KeyGenerator实例，
  • 然后使用KeyGenerator.init(int keysize)方法指定密钥的长度，
  • 最后通过KeyGenerator.generateKey()方法生成密钥。

这样生成的密钥通常会具有足够的长度和随机性，能够抵御常见的密码攻击，如穷举搜索和字典攻击。因此，使用Java标准库中的KeyGenerator生成安全的随机密钥是一种推荐的做法，有助于提高系统的安全性。

HmacMD5

HmacMD5可以看作带有一个安全的key的MD5。使用HmacMD5而不是用MD5加salt，有如下好处：

  • HmacMD5使用的key长度是64字节，更安全；
  • Hmac是标准算法，同样适用于SHA-1等其他哈希算法；
  • Hmac输出和原有的哈希算法长度一致。

可见，Hmac本质上就是把key混入摘要的算法。验证此哈希时，除了原始的输入数据，还要提供key。

java 复制代码 
package com.artisan.securityalgjava.hmac;

import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.math.BigInteger;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class HmacTest {

    public static void main(String[] args)  throws  Exception{
        // 创建 KeyGenerator 实例并指定算法为 HmacMD5
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");

        // 生成随机密钥
        SecretKey key = keyGen.generateKey();

        // 打印随机生成的密钥
        byte[] skey = key.getEncoded();
        System.out.println("随机生成的密钥：" + new BigInteger(1, skey).toString(16));

        // 创建 Mac 实例并指定算法为 HmacMD5
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");

        // 初始化 Mac 实例
        mac.init(key);

        // 更新消息
        mac.update("HellArtisan".getBytes("UTF-8"));

        // 计算 HMAC 值
        byte[] result = mac.doFinal();

        // 打印 HMAC 值
        System.out.println("HMAC 值：" + new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

使用Java标准库生成HmacMD5算法的随机密钥，并计算给定消息（"HellArtisan"）的HMAC值。

用Hmac算法取代原有的自定义的加盐算法

我们可以用Hmac算法取代原有的自定义的加盐算法，因此，存储用户名和口令的数据库结构如下：

| username | secret_key                        | password                              |
|----------|----------------------------------|---------------------------------------|
| bob      | a8c06e05f92e...5e16              | 7e0387872a57c85ef6dddbaa12f376de      |
| alice    | e6a343693985...f4be              | c1f929ac2552642b302e739bc0cdbaac      |
| tim      | f27a973dfdc0...6003              | af57651c3a8a73303515804d4af43790      |

每行包含用户名（username）、随机生成的密钥（secret_key，长度为64字节），以及使用Hmac算法生成的密码哈希值（password）。密钥用于计算Hmac，确保密码的安全性。

java 复制代码 
package com.artisan.securityalgjava.hmac;

import java.util.Arrays;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

/**
 * HMAC示例：使用预先生成的密钥计算HMAC值
 * @author artisan
 */
public class HmacVerifyTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 预先生成的密钥
        byte[] hkey = new byte[]{106, 70, -110, 125, 39, -20, 52, 56, 85, 9, -19, -72, 52, -53, 52, -45, -6, 119, -63,
                30, 20, -83, -28, 77, 98, 109, -32, -76, 121, -106, 0, -74, -107, -114, -45, 104, -104, -8, 2, 121, 6,
                97, -18, -13, -63, -30, -125, -103, -80, -46, 113, -14, 68, 32, -46, 101, -116, -104, -81, -108, 122,
                89, -106, -109};

        // 创建SecretKey对象
        SecretKey key = new SecretKeySpec(hkey, "HmacMD5");

        // 获取Mac实例并指定算法为HmacMD5
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");

        // 使用密钥初始化Mac实例
        mac.init(key);

        // 更新消息
        mac.update("HelloArtisan".getBytes("UTF-8"));

        // 计算HMAC值
        byte[] result = mac.doFinal();

        // 打印HMAC值
        System.out.println(Arrays.toString(result));
        // [-22, 82, 110, 65, -70, -122, 93, 121, 48, 96, -40, -78, 126, 46, -47, 112]
    }
}
java 复制代码 
// 创建SecretKey对象，使用预先生成的密钥字节数组和算法名称"HmacMD5"
SecretKey key = new SecretKeySpec(hkey, "HmacMD5");

这行代码的作用是创建一个SecretKey对象，使用预先生成的密钥字节数组（hkey）作为密钥，同时指定算法名称为"HmacMD5"。

这就是恢复SecretKey的代码。

HmacMD5 VS MD5

相比于直接使用MD5哈希算法，使用HmacMD5算法需要经过一些额外的步骤来生成哈希值。

下面是使用HmacMD5算法生成哈希值的步骤：

  1. 通过名称"HmacMD5"获取KeyGenerator实例。
  2. 通过KeyGenerator创建一个SecretKey实例，这个密钥将用于初始化Mac实例。
  3. 通过名称"HmacMD5"获取Mac实例。
  4. 用SecretKey初始化Mac实例，以指定使用的密钥。
  5. 对Mac实例反复调用update(byte[])输入数据，可以多次调用update方法以输入数据的不同部分。
  6. 调用Mac实例的doFinal()方法获取最终的哈希值。

这些步骤确保了使用HmacMD5算法生成哈希值时的安全性和正确性。 HmacMD5算法结合了MD5哈希算法和密钥，提供了更高的安全性和防御性，适用于需要对消息进行完整性验证和身份认证的场景。

HmacSHA256

https://github.com/aperezdc/hmac-sha256/blob/master/hmac-sha256.c

java 复制代码 
 package com.artisan.securityalgjava.hmac;

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */


public class HmacSHA256Example {
    public static void main(String[] args) {
        // 要加密的消息
        String message = "Hello, HMAC!";
        // 密钥
        String key = "secretKey";

        try {
            // 计算HMAC-SHA256值
            byte[] result = calculateHmacSHA256(message, key);
            // 将字节数组转换成十六进制字符串
            String hmacSHA256 = bytesToHex(result);
            // 打印HMAC-SHA256值
            System.out.println("HMAC-SHA256: " + hmacSHA256);
        } catch (NoSuchAlgorithmException | InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 计算HMAC-SHA256值
     * @param message
     * @param key
     * @return
     * @throws NoSuchAlgorithmException
     * @throws InvalidKeyException
     */
    public static byte[] calculateHmacSHA256(String message, String key)
            throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
        // 创建HmacSHA256实例
        Mac hmacSHA256 = Mac.getInstance("HmacSHA256");
        // 创建密钥对象
        SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(), "HmacSHA256");
        // 使用密钥初始化Mac实例
        hmacSHA256.init(secretKey);
        // 计算消息的HMAC-SHA256值并返回
        return hmacSHA256.doFinal(message.getBytes());
    }

    /**
     * 将字节数组转换成十六进制字符串
     * @param bytes
     * @return
     */
    public static String bytesToHex(byte[] bytes) {
        StringBuilder result = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
            result.append(String.format("%02x", b));
        }
        return result.toString();
    }
}

首先定义了要加密的消息和密钥。然后，使用calculateHmacSHA256方法计算消息的HMAC-SHA256值。最后，将计算得到的字节数组转换成十六进制字符串，并打印输出。

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