HMAC 算法

by · 2016年03月29日 · 2967 Words · ~6min reading time | Improve on

《NodeJS开发教程14-Crypto加密与解密》 - 简书
HMAC: 就是带个密码(key)也叫salt的hash算法, key 是发送方和接收方都有的
hmac = md5(message + salt)

Crypto

1.内容编解码类（Base64）
2.内容摘要类（MD5、SHA1、SHA256、SHA512）
3.内容加密解密类又分为：对称加密解密（AES），非对称加密解密(RSA)
4.内容签名类（RSA+SHA1 或 RSA+SHA256 或 RSA+MD5等等）

如果要通过同一个渠道发送数据和散列值的话（比如消息认证码），就要考虑数据和MD5同时被篡改的问题，如果第三方修改了数据，然后进行MD5散列，并一块发给接收方，接收方并不能察觉到数据被篡改。HMAC-MD5就可以用一把发送方和接收方都有的key进行计算，而没有这把key的第三方是无法计算出正确的散列值的，这样就可以防止数据被篡改。

hmac
通过哈希算法，我们可以验证一段数据是否有效，方法就是对比该数据的哈希值，例如，判断用户口令是否正确，我们用保存在数据库中的password_md5对比计算md5(password)的结果，如果一致，用户输入的口令就是正确的。

为了防止黑客通过彩虹表根据哈希值反推原始口令，在计算哈希的时候，不能仅针对原始输入计算，需要增加一个salt来使得相同的输入也能得到不同的哈希，这样，大大增加了黑客破解的难度。

如果salt是我们自己随机生成的，通常我们计算MD5时采用md5(message + salt)。但实际上，把salt看做一个“口令”，加salt的哈希就是：计算一段message的哈希时，根据不通口令计算出不同的哈希。要验证哈希值，必须同时提供正确的口令。

这实际上就是Hmac算法：Keyed-Hashing for Message Authentication。它通过一个标准算法，在计算哈希的过程中，把key混入计算过程中。

和我们自定义的加salt算法不同，Hmac算法针对所有哈希算法都通用，无论是MD5还是SHA-1。采用Hmac替代我们自己的salt算法，可以使程序算法更标准化，也更安全。

Python自带的hmac模块实现了标准的Hmac算法。我们来看看如何使用hmac实现带key的哈希。

我们首先需要准备待计算的原始消息message，随机key，哈希算法，这里采用MD5，使用hmac的代码如下：

>>> import hmac
>>> message = b'Hello, world!'
>>> key = b'secret'
>>> h = hmac.new(key, message, digestmod='MD5')
>>> # 如果消息很长，可以多次调用h.update(msg)
>>> h.hexdigest()
'fa4ee7d173f2d97ee79022d1a7355bcf'

可见使用hmac和普通hash算法非常类似。hmac输出的长度和原始哈希算法的长度一致。需要注意传入的key和message都是bytes类型，str类型需要首先编码为bytes。

google Authenticator 双因子认证原理

签署:

签署所使用的方法是HMAC-SHA1。HMAC的全称是Hash-based message authentication code(哈希运算消息认证码)，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，这里以SHA1作为消息输入。使用HMAC的原因是：只有用户本身知道正确的输入密钥，因此会得到唯一的输出。其算法可以简单表示为：

hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))

事实上，TOTP是HMAC-OTP（基于HMAC的一次密码生成）的超集，区别是TOTP以当前时间作为输入，而HMAC-OTP以自增计算器作为输入，该计数器使用时需要进行同步。

算法:

首先，要进行密钥的base32加密。虽然谷歌上的密钥格式是带空格的，不过base32拒绝空格输入，并只允许大写。所以要作如下处理：
original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx
secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))

第二步要获取当前时间值，这里使用的是UNIX time函数，或者可以用纪元秒。
input = CURRENT_UNIX_TIME()

在Google Authenticator中，input值拥有一个有效期。因为如果直接根据时间进行计算，结果将时刻发生改变，那么将很难进行复用。Google Authenticator默认使用30秒作为有效期(时间片)，最后input的取值为从Unix epoch（1970年1月1日 00:00:00）来经历的30秒的个数。
input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30

最后一步是进行HMAC-SHA1运算

original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx
secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))
input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30
hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))

至此，2FA所需的两个因子都已准备就绪了。但是HMAC运算后的结果会是20字节即40位16进制数，应该没有人会愿意每次都输入这么长的密码。我们需要的是常规6位数字密码！

要实现这个愿望，首先要对20字节的SHA1进行瘦身。我们把SHA1的最后4个比特数（每个数的取值是0~15）用来做索引号，然后用另外的4个字节进行索引。因此，索引号的操作范围是15+4=19，加上是以零开始，所以能完整表示20字节的信息。4字节的获取方法是
four_bytes = hmac[LAST_BYTE(hmac):LAST_BYTE(hmac) + 4]

然后将它转化为标准的32bit无符号整数(4 bytes = 32 bit)：
large_integer = INT(four_bytes)
最后再进行7位数(1百万)取整，就可得到6位数字了：
large_integer = INT(four_bytes)
small_integer = large_integer % 1,000,000
这也是我们最后要的目标结果，整个过程总结如下：

original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx  
secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))  
input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30  
hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))  
four_bytes = hmac[LAST_BYTE(hmac):LAST_BYTE(hmac) + 4]  
large_integer = INT(four_bytes)  
small_integer = large_integer % 1,000,000

消息摘要算法-HMAC算法
 HMAC算法

HMAC 算法主要应用于身份验证，用法如下：

1.客户端发出登录请求
2.服务器返回一个随机值，在会话记录中保存这个随机值
3.客户端将该随机值作为密钥，用户密码进行 hmac 运算，递交给服务器
4.服务器读取数据库中的用户密码，利用密钥做和客户端一样的 hmac运算，然后与用户发送的结果比较，如果一致，则用户身份合法。

JWT 所使用的HMAC
alg 是是所使用的 hash 算法例如 HMAC SHA256 或 RSA，typ 是 Token 的类型自然就是 JWT。

{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}

我们也常把MAC称为HMAC（keyed-Hash Message Authentication Code）。

MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）是含有密钥的散列函数算法，兼容了MD和SHA算法的特性，并在此基础上加入了密钥。
MAC算法集合了MD和SHA算法的优势，并加入密钥的支持，是一种更为安全的消息摘要算法。

MD系列的算法有 HmacMD2、HmacMD4、HmacMD5 三种算法；
SHA系列的算法有 HmacSHA1、HmacSHA224、HmacSHA256、HmacSHA384、HmacSHA512 五种算法。

可以简单的理解为: 1. MD5或者SHA提取摘要 2.用MAC进行秘钥加密

这么说是没有错的，而我要补充说明的是这里的秘钥问题，因为HMAC的本意秘钥是要随机生成的，而不是客户端与服务器之前约定好的。

HMAC在实践中它应该是这么用的:

(1)客户端向服务器发起请求,访问登录页面.这时服务器生成一个密钥,把这个密钥存储在session之中,然后将密钥返回给客户端.
(2)客户端填写登录表单,点击提交后,运行HMAC算法,根据密钥将用户信息加密后post到服务器.
(3)服务器读取数据库中的密码,用HMAC将密码和session中的密钥进行加密产生密码的密文,将密文与用户提交的进行比较.
但是我看到大多数的实现都没有随机生成秘钥，而是实现约定好秘钥，在客户端与服务端使用，这样做把HMAC的安全性打了折扣。

这里给出以下HMAC的核心实现，不管秘钥是约定好的，还是随机生成的，都使用到了如下的核心方法

具体的使用还是要看具体情况

public static String encodeHmacSHA1(byte[] data, byte[] key) throws Exception {               
    SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA1");   
    Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());    
    mac.init(secretKey);    
    byte[] digest = mac.doFinal(data);            
    return new HexBinaryAdapter().marshal(digest);  
    //转为十六进制的字符串输出  
}  

//生成秘钥  
public static byte[] initHmacSHA1Key() throws NoSuchAlgorithmException {    
    KeyGenerator generator = KeyGenerator.getInstance("HmacSHA1");  //假设使用到的是HmacSHA1方法  
    SecretKey secretKey = generator.generateKey();  
    byte[] key = secretKey.getEncoded();  
return key;  
}

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