HMAC算法及其应用
MAC
在现代的网络中，身份认证是一个经常会用到的功能，在身份认证过程中，有很多种方式可以保证用户信息的安全，而MAC(message authentication code)就是一种常用的方法。
消息认证码是对消息进行认证并确认其完整性的技术。通过使用发送者和接收者之间共享的密钥，就可以识别出是否存在伪装和篡改行为。
MAC是通过MAC算法+密钥+要加密的信息一起计算得出的。
同hash算法（消息摘要）相比，消息摘要只能保证消息的完整性，即该消息摘要B是这个消息A生成的。而MAC算法能够保证消息的正确性，即判断确实发的是消息A而不是消息C。
同公私钥体系相比，因为MAC的密钥在发送方和接收方是一样的，所以发送方和接收方都可以来生成MAC，而公私钥体系因为将公钥和私钥分开，所以增加了不可抵赖性。
MAC有很多实现方式，比较通用的是基于hash算法的MAC，比如今天我们要讲的HMAC。还有一种是基于分组密码的实现，比如(OMAC, CBC-MAC and PMAC)。
HMAC
HMAC 是Keyed-Hashing for Message Authentication的缩写。HMAC的MAC算法是hash算法，它可以是MD5, SHA-1或者 SHA-256，他们分别被称为HMAC-MD5，HMAC-SHA1， HMAC-SHA256。
HMAC用公式表示：
H(K XOR opad, H(K XOR ipad, text))
其中 H：hash算法，比如（MD5，SHA-1，SHA-256） B：块字节的长度，块是hash操作的基本单位。这里B=64。 L：hash算法计算出来的字节长度。(L=16 for MD5, L=20 for SHA-1)。 K：共享密钥，K的长度可以是任意的，但是为了安全考虑，还是推荐K的长度>B。当K长度大于B时候，会先在K上面执行hash算法，将得到的L长度结果作为新的共享密钥。 如果K的长度<B, 那么会在K后面填充0x00一直到等于长度B。 text： 要加密的内容 opad：外部填充常量，是 0x5C 重复B次。 ipad： 内部填充常量，是0x36 重复B次。 XOR： 异或运算。
计算步骤如下：
- 将0x00填充到K的后面，直到其长度等于B。
- 将步骤1的结果跟 ipad做异或。
- 将要加密的信息附在步骤2的结果后面。
- 调用H方法。
- 将步骤1的结果跟opad做异或。
- 将步骤4的结果附在步骤5的结果后面。
- 调用H方法。
HMAC的应用
hmac主要应用在身份验证中，如下是它的使用过程：
- 客户端发出登录请求（假设是浏览器的GET请求）
- 服务器返回一个随机值，并在会话中记录这个随机值
- 客户端将该随机值作为密钥，用户密码进行hmac运算，然后提交给服务器
- 服务器读取用户数据库中的用户密码和步骤2中发送的随机值做与客户端一样的hmac运算，然后与用户发送的结果比较，如果结果一致则验证用户合法。
在这个过程中，可能遭到安全攻击的是服务器发送的随机值和用户发送的hmac结果，而对于截获了这两个值的黑客而言这两个值是没有意义的，绝无获取用户密码的可能性，随机值的引入使hmac只在当前会话中有效，大大增强了安全性和实用性。
HMAC实现举例
/*
** Function: hmac_md5
*/
void
hmac_md5(text, text_len, key, key_len, digest)
unsigned char* text; /* pointer to data stream */
int text_len; /* length of data stream */
unsigned char* key; /* pointer to authentication key */
int key_len; /* length of authentication key */
caddr_t digest; /* caller digest to be filled in */
{
MD5_CTX context;
unsigned char k_ipad[65]; /* inner padding -
* key XORd with ipad
*/
unsigned char k_opad[65]; /* outer padding -
* key XORd with opad
*/
unsigned char tk[16];
int i;
/* if key is longer than 64 bytes reset it to key=MD5(key) */
if (key_len > 64) {
MD5_CTX tctx;
MD5Init(&tctx);
MD5Update(&tctx, key, key_len);
MD5Final(tk, &tctx);
key = tk;
key_len = 16;
}
/*
* the HMAC_MD5 transform looks like:
*
* MD5(K XOR opad, MD5(K XOR ipad, text))
*
* where K is an n byte key
* ipad is the byte 0x36 repeated 64 times
* opad is the byte 0x5c repeated 64 times
* and text is the data being protected
*/
/* start out by storing key in pads */
bzero( k_ipad, sizeof k_ipad);
bzero( k_opad, sizeof k_opad);
bcopy( key, k_ipad, key_len);
bcopy( key, k_opad, key_len);
/* XOR key with ipad and opad values */
for (i=0; i<64; i++) {
k_ipad[i] ^= 0x36;
k_opad[i] ^= 0x5c;
}
/*
* perform inner MD5
*/
MD5Init(&context); /* init context for 1st
* pass */
MD5Update(&context, k_ipad, 64) /* start with inner pad */
MD5Update(&context, text, text_len); /* then text of datagram */
MD5Final(digest, &context); /* finish up 1st pass */
/*
* perform outer MD5
*/
MD5Init(&context); /* init context for 2nd
* pass */
MD5Update(&context, k_opad, 64); /* start with outer pad */
MD5Update(&context, digest, 16); /* then results of 1st
* hash */
MD5Final(digest, &context); /* finish up 2nd pass */
}