HMAC 算法的原理和实现

HMAC  是 Hash-based Message Authentication Code 的缩写，即基于哈希运算的消息认证码。HMAC 算法利用哈希算法，以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要作为输出。HMAC 本质上是一种加入了密钥特征的哈希算法。

HMAC算法是一种基于密钥的报文完整性的验证方法 ，其安全性是建立在Hash加密算法基础上的。它要求通信双方共享密钥、约定算法、对报文进行Hash运算，形成固定长度的认证码。通信双方通过认证码的校验来确定报文的合法性。 

HMAC中所使用的单向散列函数并不仅限于一种，任何高强度的单向散列函数都可以被用于HMAC，如果将来设计出的新的单向散列函数，也同样可以使用。使用 SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512 所构造的 HMAC，分别称为 HMAC-SHA1、HMAC-SHA-224、HMAC-SHA-384、HMAC-SHA-512。

HMAC算法可以用来作加密、数字签名、报文验证等。

1. HMAC 算法的定义

HMAC算法是一种执行“校验和”的算法，它通过对数据进行“校验”来检查数据是否被更改了。在发送数据以前，HMAC算法对数据块和双方约定的公钥进行“散列操作”，以生成称为“摘要”的东西，附加在待发送的数据块中。当数据和摘要到达其目的地时，就使用HMAC算法来生成另一个校验和，如果两个数字相匹配，那么数据未被做任何篡改。否则，就意味着数据在传输或存储过程中被某些居心叵测的人作了手脚。

HMAC算法的定义用公式表示如下：

HMAC（K，M）= H（（K’⊕opad）∣H（（K’⊕ipad）∣M））

2. HMAC 算法的加密步骤

(1) 在密钥K后面添加0 或者 对密钥K用H进行处理 来创建一个字长为B的字符串。(例如，如果K的字长是20字节，B＝64字节，则K后会加入44个零字节0x00；如果K的字长是120字节，B＝64字节，则会用H作用于K后产生64字节的字符串)

(2) 将上一步生成的B字长的字符串与ipad做异或运算。

(3) 将数据流text填充至第二步的结果字符串中。

(4) 用H作用于第三步生成的数据流。

(5) 将第一步生成的B字长字符串与opad做异或运算。

(6) 再将第四步的结果填充进第五步的结果中。

(7) 用H作用于第六步生成的数据流，输出最终结果 。

3. HMAC 算法的流程图

4. HMAC 算法的伪码实现

function hmac (key, message) {
    if (length(key) > blocksize) {
        key = hash(key) // keys longer than blocksize are shortened
    }
    if (length(key) < blocksize) {
        // keys shorter than blocksize are zero-padded (where ∥ is concatenation)
        key = key ∥ [ 0x00 * (blocksize - length(key))] // Where * is repetition.
    }
    o_pad = [ 0x5c * blocksize] // Where blocksize is that of the underlying hash function
    i_pad = [ 0x36 * blocksize]
    o_key_pad = o_pad ⊕ key // Where ⊕ is exclusive or (XOR)
    i_key_pad = i_pad ⊕ key
    return hash(o_key_pad ∥ hash(i_key_pad ∥ message)) // Where ∥ is concatenation
}

5. HMAC 算法的典型应用

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。

(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-SHA1运算并得到一个结果作为认证证据传给服务器（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-SHA1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 。

6. HMAC 算法的安全性

HMAC算法引入了密钥，其安全性已经不完全依赖于所使用的HASH算法，安全性主要有以下几点保证：

（1）使用的密钥是双方事先约定的，第三方不可能知道。由上面介绍应用流程可以看出，作为非法截获信息的第三方，能够得到的信息只有作为“挑战”的随机数和作为“响应”的HMAC结果，无法根据这两个数据推算出密钥。由于不知道密钥，所以无法仿造出一致的响应。

（2）在HMAC算法的应用中，第三方不可能事先知道输出（如果知道，不用构造输入，直接将输出送给服务器即可）。

（3） HMAC算法与一般的加密重要的区别在于它具有“瞬时”性，即认证只在当时有效，而加密算法被破解后，以前的加密结果就可能被解密。

7. HMAC 算法Go语言示例

package main

import (
	"crypto/hmac"
	"crypto/sha512"
	"fmt"
)

func main() {
	data := []byte("mydata")
	hmac := hmac.New(sha512.New, []byte("mykey"))
	_, err := hmac.Write(data)
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
		return
	}
	result := hmac.Sum(nil)
	fmt.Println(result)
}