• 信息摘要算法之五:HMAC算法分析与实现


    MAC(Message Authentication Code,消息认证码算法)是含有密钥散列函数算法,兼容了MD和SHA算法的特性,并在此基础上加上了密钥。因此MAC算法也经常被称作HMAC算法。

    1HMAC概述

    HMAC算法首先它是基于信息摘要算法的。目前主要集合了MD和SHA两大系列消息摘要算法。其中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。

    HMAC算法除了需要信息摘要算法外,还需要一个密钥。HMAC的密钥可以是任何长度,如果密钥的长度超过了摘要算法信息分组的长度,则首先使用摘要算法计算密钥的摘要作为新的密钥。一般不建议使用太短的密钥,因为密钥的长度与安全强度是相关的。通常选取密钥长度不小于所选用摘要算法输出的信息摘要的长度。

    2HMAC算法分析

    HMAC算法本身并不复杂,起需要有一个哈希函数,我们记为H。同时还需要有一个密钥,我们记为K。每种信息摘要函数都对信息进行分组,每个信息块的长度是固定的,我们记为B(如:SHA1为512位,即64字节)。每种信息摘要算法都会输出一个固定长度的信息摘要,我们将信息摘要的长度记为L(如MD5为16字节,SHA-1为20个字节)。正如前面所述,K的长度理论上是任意的,一般为了安全强度考虑,选取不小于L的长度。

    HMAC算法其实就是利用密钥和明文进行两轮哈希运算,以公式可以表示如下:

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

    Ipad为0x36重复B次

    Opad为0x5c重复B次

    M 代表一个消息输入

    根据上面的算法表示公式,我们可以描述HMAC算法的运算步骤:

    (1)、检查密钥K的长度。如果K的长度大于B则先使用摘要算法计算出一个长度为L的新密钥。如果后K的长度小于B,则在其后面追加0来使其长度达到B。

    (2)、将上一步生成的B字长的密钥字符串与ipad做异或运算。

    (3)、将需要处理的数据流text填充至第二步的结果字符串中。

    (4)、使用哈希函数H计算上一步中生成的数据流的信息摘要值。

    (5)、将第一步生成的B字长密钥字符串与opad做异或运算。

    (6)、再将第四步得到的结果填充到第五步的结果之后。

    (7)、使用哈希函数H计算上一步中生成的数据流的信息摘要值,输出结果就是最终的HMAC值。

    由上述描述过程,我们知道HMAC算法的计算过程实际是对原文做了两次类似于加盐处理的哈希过程。

    3、代码实现

    前面我们描述了HMAC算法及其实现过程,接下来我们则将其实现。首先我们定义一个用于保存计算过程上下文的结构:

    /** 该结构将为HMAC密钥哈希操作保存上下文信息*/

    typedef struct HMACContext {

      int whichSha; /* 所用的SHA算法 */

      int hashSize; /* 所用SHA的哈希值大小 */

      int blockSize; /* 所用SHA块的大小 */

      SHAContext shaContext; /* SHA上下文 */

      unsigned char k_opad[SHA_Max_Message_Block_Size];/* outer padding - key XORd with opad */

      int Computed; /* Is the MAC computed? */

      int Corrupted; /* Cumulative corruption code */

    } HMACContext;

    接下来实现HMAC初始化函数。这个函数将初始化hmacContext以准备计算一个新的HMAC消息摘要。

    int hmacReset(HMACContext *context, enum SHAversion whichSha,const unsigned char *key, int key_len)

    {

      int i, blocksize, hashsize, ret;

      unsigned char k_ipad[SHA_Max_Message_Block_Size];/* inner padding - key XORd with ipad */

      unsigned char tempkey[SHAMaxHashSize];/* temporary buffer when keylen > blocksize */

      if (!context) return shaNull;

      context->Computed = 0;

      context->Corrupted = shaSuccess;

      blocksize = context->blockSize = SHABlockSize(whichSha);

      hashsize = context->hashSize = SHAHashSize(whichSha);

      context->whichSha = whichSha;

      /*如果键长于哈希块大小,将其重置为key = hash (key)。 */

      if (key_len > blocksize) {

        SHAContext tcontext;

        int err = SHAReset(&tcontext, whichSha) ||

        SHAInput(&tcontext, key, key_len) ||

        SHAResult(&tcontext, tempkey);

        if (err != shaSuccess) return err;

        key = tempkey;

        key_len = hashsize;

      }

      /*将key与ipad和opad按位异或*/

      for (i = 0; i < key_len; i++) {

        k_ipad[i] = key[i] ^ 0x36;

        context->k_opad[i] = key[i] ^ 0x5c;

      }

      /*将key填充0直到blocksize并与ipad和opad按位异或 */

      for ( ; i < blocksize; i++) {

        k_ipad[i] = 0x36;

        context->k_opad[i] = 0x5c;

      }

      /* 开始内层哈希运算 */

      ret = SHAReset(&context->shaContext, whichSha) ||

      SHAInput(&context->shaContext, k_ipad, blocksize);

      return context->Corrupted = ret;

    }

    接下来输入将要处理的信息,这个函数接受一个字节数组作为消息的下一处理部分。

    int hmacInput(HMACContext *context, const unsigned char *text,int text_len)

    {

      if (!context) return shaNull;

      if (context->Corrupted) return context->Corrupted;

      if (context->Computed) return context->Corrupted = shaStateError;

      /* 报文内容 */

      return context->Corrupted =SHAInput(&context->shaContext, text, text_len);

    }

    最后处理完成全部过程,返回信息摘要。此函数将返回相应大小的消息摘要,具体是多长的信息摘要由具体的SHA算法决定。

    int hmacResult(HMACContext *context, uint8_t *digest)

    {

      int ret;

      if (!context) return shaNull;

      if (context->Corrupted) return context->Corrupted;

      if (context->Computed) return context->Corrupted = shaStateError;

      /* 完成内层哈希运算 */

      ret =SHAResult(&context->shaContext, digest) ||

      /* 执行外层哈希运算 */

          SHAReset(&context->shaContext, context->whichSha) ||

          SHAInput(&context->shaContext, context->k_opad,context->blockSize) ||

          SHAInput(&context->shaContext, digest, context->hashSize) ||

          SHAResult(&context->shaContext, digest);

      context->Computed = 1;

      return context->Corrupted = ret;

    }

    4、结果

    我们已经实现了HMAC算法,接下来我们对其进行验证。我们采用简单的测试,取加密文本为text =“abcd”,设密钥为key=“123456”,基于SHA-1的HMAC运算结果如下:

     

    基于SHA-256的HMAC运算结果如下:

     

    基于SHA-512的运算结果如下:

     

    我们测试了HMAC-SHA1、HMAC-SHA256、HMAC-512三种情况,与在线HMAC加密算法进行对比计算,记过完全一致。

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