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HMAC 基于哈希的消息认证码

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基于哈希的消息认证码

MAC

1. Mac 的命名含义与背景

  • 命名含义：
    Mac 是 Message Authentication Code（消息认证码） 的缩写，用于验证数据的完整性和真实性。它通过结合密钥和消息生成一个短小的认证码，确保消息未被篡改且来源可信。
  • 背景：
    在密码学中，MAC 是一种对称密钥技术（如 HMAC 算法）。Java 提供 javax.crypto.Mac 类作为标准 API，封装了 MAC 算法的实现，使开发者无需关注底层细节即可使用 HMAC-SHA256 等常见算法。

2. javax.crypto.Mac 类的作用

Mac 类的主要功能是：

  • 数据完整性验证：确保传输或存储的数据未被篡改。
  • 身份认证：验证消息来源的合法性（只有拥有密钥的实体才能生成有效的 MAC）。
  • 应用场景：API 请求签名、安全通信（如 HTTPS）、文件校验等。

3. 核心方法

以下是 Mac 类的关键方法及其作用：

a. 初始化方法

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void init(SecretKey key)
  • 作用：用密钥初始化 MAC 实例。
  • 注意：必须先调用此方法才能使用 update() 或 doFinal()。
  • 示例：
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SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("HmacSHA256").generateKey();
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
mac.init(key);

b. 数据输入方法

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void update(byte[] input)  
void update(byte[] input, int offset, int len)
  • 作用：向 MAC 添加待处理的数据。支持分多次输入（如大文件的分块处理）。
  • 示例：
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byte[] dataPart1 = "Hello".getBytes();
byte[] dataPart2 = "World".getBytes();
mac.update(dataPart1);
mac.update(dataPart2);

c. 生成 MAC 值

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byte[] doFinal()  
byte[] doFinal(byte[] input)
  • 作用：完成 MAC 计算并返回结果。调用后 Mac 对象会被重置，需重新初始化。
  • 示例：
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byte[] macResult = mac.doFinal();  // 处理已通过 update() 添加的数据
// 或一步处理全部数据
byte[] macResult = mac.doFinal("HelloWorld".getBytes());

d. 获取算法实例

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static Mac getInstance(String algorithm)
  • 作用：根据算法名称（如 HmacSHA256）创建 Mac 实例。
  • 示例：
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Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");

e. 其他辅助方法

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String getAlgorithm()  
int getMacLength()  
void reset()
  • 作用：
    • getAlgorithm()：返回当前 MAC 算法的名称。
    • getMacLength()：返回 MAC 值的字节长度。
    • reset()：重置对象到初始化后的状态，可复用对象避免重复创建。

使用流程示例

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// 1. 生成密钥
SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("HmacSHA256").generateKey();

// 2. 创建 Mac 实例
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
mac.init(key);

// 3. 输入数据
mac.update("Hello".getBytes());
mac.update("World".getBytes());

// 4. 生成 MAC
byte[] macResult = mac.doFinal();

关键注意事项

  1. 密钥管理：MAC 的安全性依赖于密钥的保密性，需妥善存储（如使用硬件安全模块 HSM）。
  2. 算法选择：优先选择 HMAC-SHA256 等强算法，避免 MD5 或 SHA1 等弱算法。
  3. 线程安全：Mac ==实例非线程安全==，需避免多线程共享同一实例。

HMAC

HMAC 算法的全名是 Hash-based Message Authentication Code，即基于哈希的消息认证码。

什么是 HMAC？

HMAC 是一种通过结合加密哈希函数（如 SHA-256、SHA-1 等）和密钥来生成消息认证码的算法。它主要用于验证消息的完整性和真实性，确保消息在传输过程中没有被篡改，并且确实来自预期的发送方。

HMAC 的工作原理

HMAC 使用一个密钥和一个哈希函数来计算消息的认证码。其基本过程如下：

  1. 输入：

    • 消息（Message）：需要验证完整性的数据。
    • 密钥（Key）：只有通信双方知道的秘密密钥。
    • 哈希函数（Hash Function）：如 SHA-256、SHA-1 等。

  2. 计算：

    • HMAC 使用密钥对消息进行两次哈希运算，确保即使攻击者知道哈希函数，也无法伪造消息认证码。
    • 公式表示为：
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      HMAC(K, m) = H((K' ⊕ opad) || H((K' ⊕ ipad) || m))
      • K：密钥。
      • m：消息。
      • H：哈希函数。
      • K'：经过填充或截断后的密钥。
      • opad 和 ipad：固定的位模式（外填充和内填充）。

  3. 输出：

    • 生成固定长度的 HMAC 值，通常与所使用的哈希函数的输出长度相同（例如，使用 SHA-256 时，输出长度为 256 位）。

HMAC 的特点

  1. 安全性：

    • HMAC 的安全性依赖于底层的哈希函数和密钥的保密性。
    • 即使攻击者知道哈希函数，只要密钥保密，攻击者无法伪造有效的 HMAC。

  2. 完整性验证：

    • 接收方可以使用相同的密钥和哈希函数重新计算 HMAC，并与接收到的 HMAC 进行比较。如果两者一致，则说明消息未被篡改。

  3. 广泛使用：

    • HMAC 被广泛应用于各种安全协议和系统中，例如：
      • API 请求签名：用于验证请求的合法性和完整性。
      • 数据存储：保护存储数据的完整性。
      • 网络通信：如 TLS/SSL 中的握手过程。

示例：HMAC-SHA256

HMAC 可以与不同的哈希函数结合使用，常见的组合包括：

  • HMAC-SHA1 （不推荐）
  • HMAC-SHA256
  • HMAC-MD5（虽然 MD5 已不再推荐使用）

例如，使用 HMAC-SHA256 时，算法会生成一个 256 位（32 字节）的哈希值。

总结

HMAC 的全称是 Hash-based Message Authentication Code，它是一种基于哈希函数的消息认证机制，能够有效保证消息的完整性和真实性。 HMAC 广泛应用于现代密码学和网络安全领域，尤其是在需要验证数据来源和完整性的场景中。

VS MessageDigest

javax.crypto.Mac 和 javax.crypto.MessageDigest 是 Java 中处理数据完整性和认证的两大核心类，但两者在功能、安全性和应用场景上有显著区别。以下是详细对比：

1. 核心功能差异

特性 javax.crypto.Mac javax.crypto.MessageDigest
定义 基于密钥的 消息认证码（MAC） 生成工具 无密钥的 消息摘要（哈希） 生成工具
算法示例 HmacSHA256、HmacSHA1 SHA-256、MD5
密钥依赖 必须使用密钥初始化（SecretKey） 无需密钥
输出目的 验证数据完整性和来源真实性（防篡改+认证） 仅验证数据完整性（防篡改）

2. 安全性对比

  • Mac 的优势

    • 通过密钥增强安全性，攻击者无法伪造哈希值（需同时破解密钥和哈希算法），适用于需要验证数据来源的场景（如 API 签名）。
    • 支持 HMAC 结构（如 HmacSHA256），结合哈希算法（SHA-256）和密钥，抗碰撞性更强。

  • MessageDigest 的局限

    • 仅生成普通哈希值，无密钥保护。攻击者可篡改数据后重新生成相同哈希值（如文件替换攻击），无法验证数据来源。

3. 使用场景

场景 Mac 适用性 MessageDigest 适用性
API 签名 ✔️ 生成带密钥的签名（如 JWT） ❌ 无法验证请求来源
密码存储 ❌ 需结合 PBKDF2 等算法更安全 ✔️ 可用于简单哈希（需加盐）
文件完整性校验 ✔️ 需确保文件未被篡改且来源可信（如软件分发） ✔️ 仅校验文件是否被修改（如下载文件校验）
数据传输认证 ✔️ 保护传输数据（如 HTTPS 握手阶段） ❌ 无法防止中间人篡改

4. 代码实现差异

(1) Mac 使用流程

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// 1. 初始化密钥
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec("secret".getBytes(), "HmacSHA256");
// 2. 创建 Mac 实例并初始化
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
mac.init(key);
// 3. 计算 MAC 值
byte[] macResult = mac.doFinal("data".getBytes());
  • 关键步骤：必须通过 init() 设置密钥。

(2) MessageDigest 使用流程

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// 1. 创建 MessageDigest 实例
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
// 2. 计算哈希值
byte[] hash = md.digest("data".getBytes());
  • 无密钥参与，直接处理数据。

5. 安全性建议

  • **优先选择 Mac**：
    在需要验证数据来源的场景（如 API 调用、敏感数据传输），务必使用 Mac 结合强算法（如 HmacSHA256）。

  • 避免弱算法：

    • MessageDigest 避免使用 MD5 或 SHA-1（已被破解）。
    • Mac 避免使用 HmacMD5 或 HmacSHA1。

总结

维度 Mac MessageDigest
核心能力 数据完整性 + 来源认证 仅数据完整性
密钥依赖 是 否
典型用途 签名、安全传输 文件校验、密码哈希（需加盐）
安全性 高（密钥 + 哈希双重保护） 低（仅哈希）

建议：根据场景选择工具——需要身份验证时用 Mac，只需完整性校验时用 MessageDigest（但需注意算法强度）。

实现

Java的代码实现

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import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;


/**
 * 签名工具类
 */
public class SignUtil {

    private static final Charset DEFAULT_ENCODING = Charset.forName("UTF-8");
    
    public static String sign(String content, String secret) {
        try {
            Mac hmacSha256 = Mac.getInstance("HmacSHA256");
            byte[] keyBytes = secret.getBytes(DEFAULT_ENCODING);
            hmacSha256.init(new SecretKeySpec(keyBytes, 0, keyBytes.length, "HmacSHA256"));

            byte[] hash = hmacSha256.doFinal(content.getBytes(DEFAULT_ENCODING));
            return Base64.encodeBase64String(hash);
        } catch (Exception e) {
            throw new IllegalStateException(e);
        }
    }
}

依赖库 (Base64.encodeBase64String(hash))

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  <groupId>commons-codec</groupId>
  <artifactId>commons-codec</artifactId>
  <version>1.14</version>
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