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写给开发人员的实用密码学 - MAC

这里的MAC,并不是计算机中的MAC地址,而是消息验证码(Message Authentication Code,MAC)。在写给开发人员的实用密码学 - Hash算法中讲到的Hash算法能够进行完整性校验,但却不能避免消息被篡改,而MAC正是为了避免消息被篡改而设计。

为什么需要MAC

写给开发人员的实用密码学 - Hash算法这篇文章中,谈到密码学哈希算法用途之一就是保证文档/消息完整性。对于文件下载来说,通过计算下载下来的文件的Hash值,和网站提供的Hash值进行对比,就能确定下载下来的文件是否和网站上的原始文件一致。这对于一些固定的使用场景有效(网站提供下载的文件比较固定),如果是任意消息(文档)的发送,怎么提供原始消息(文档)的Hash值呢?一个比较容易想到的方法是将Hash值附在消息的后面,一起发送给接收方,如下图所示:

Hash值随消息一起发送

接收方校验Hash值是否和接收到的Hash值相同,看起来没毛病。但如果考虑到如下的场景呢?

中间人攻击

攻击者对消息进行拦截,修改消息,然后计算该消息的摘要值(摘要算法是公开的),附在消息后面发送给接收方。接收方收到消息后,对消息计算摘要值,然后与接收到的摘要值进行比较,并没有发现有异常,而实际上接收到的消息已经被篡改。

通过对消息加密是一种解决方法。但在很多情况下,传递的消息没有必要加密,只要确保消息是完整且没有被篡改即可,原因可能如下:

  • 接口的数据并不重要,对隐私性要求不高。

  • 加密和解密过程很消耗性能。

另一种解决方法是MAC算法。MAC是由给定密钥和给定消息计算得出的验证码:

auth_code = MAC(key, msg)

通信双方维护同一个密钥,只有拥有密钥的通信双方才能生成和验证消息验证码。通常,它的行为类似于哈希函数:

  • 消息或密钥中的微小变化导致MAC值完全不同。

  • 更改密钥或消息并获得相同的MAC值实际上是不可行的。

  • MAC验证码像哈希一样是不可逆的:无法从MAC代码中恢复原始消息或密钥。

MAC算法也称为“键控哈希函数”,因为它们的行为类似于带有密钥的哈希函数。

MAC值一般和原始消息一起传输,原始消息可以选择加密,也可以选择不加密,通信双方会以相同的方式生成MAC值,然后进行比较,如下图所示:

MAC处理流程

MAC算法的种类

现代密码学中存在许多MAC算法。最受欢迎的是基于哈希算法,例如HMAC(基于哈希的MAC,例如HMAC-SHA256)和KMAC(基于Keccak的MAC)。还有的则基于对称加密,例如CMAC(基于加密的MAC),GMAC(Galois MAC)和Poly1305(Bernstein一次性身份验证器)。其他MAC算法包括UMAC(基于通用哈希),VMAC(基于高性能分组加密的MAC)和SipHash(简单、快速、安全的MAC)。

作为开发人员,我们并不需要了解这么多MAC算法,重点了解HMAC(Hash-based Message Authentication Code)即可,它在SSL/TLS通信中得到广泛使用。

HMAC算法使用Hash算法作为加密基元,HMAC结合Hash算法有多种变种,比如HMAC-SHA-1、HMAC-SHA256、HMAC-SHA512,国密标准中则使用SM3 Hash算法。大家不要误以为HMAC算法就是Hash算法加上一个密钥,HMAC算法只是基于Hash算法的,内部的实现还是相当复杂的,我们通常并不需要了解,现有的加密/解密库通常已经实现了HMAC算法。

MAC算法实例

借助OpenSSL命令行工具,计算HMAC非常容易:

$ echo -n abc | openssl dgst -sha256 -hmac Passw0rd
(stdin)= c12a3b777eaebdc2f98e79418f605f9b0b23064161e83aa19e3cf37c005181f3

国密标准中使用SM3作为加密基元,也可以通过命令行计算:

$ echo -n abc | gmssl dgst -sm3 -hmac Passw0rd
(stdin)= db1ab0dda0aafbdcd53cbda95b7ecdee4a50586f92696616ab052aceea106212

MAC算法的用途

MAC算法的主要用途:

  1. 证明消息没有被篡改,这和Hash算法类似。

  2. 消息是正确的发送者发送的,也就是说消息是经过验证的。

此外MAC算法还可以使用在如下场景。

  • 基于HMAC的密钥派生(HMAC-based key derivation,HKDF)

密钥派生功能(KDF)是将可变长度密码转换为固定长度密钥(比特序列)的功能:

function(password) -> key

一种非常简单的KDF函数,我们可以使用SHA256:仅对密码进行哈希处理。但不要这样做,因为它是不安全的,简单的哈希很容易受到字典攻击。

作为更复杂的KDF函数,我们可以通过使用一些称为“盐”的随机值计算HMAC(salt,msg,SHA256)来生成密码,该随机值与导出的密钥一起存储,以后用于再次从密码中导出相同的密钥。

  • 基于MAC的伪随机发生器

我们可以从“盐”(常数或当前日期和时间或其他随机性)和种子(上一次生成的随机数,例如0)开始,计算next_seed:

next_seed = MAC(salt, seed)

在每次计算上述公式之后,下一个伪随机数将“随机更改”,我们可以使用它来生成特定范围内的下一个随机数。

小结

在本文中我们介绍了消息验证码,消息验证码弥补了单一的Hash算法的不足,确保消息没有被篡改。接下来的部分介绍了MAC算法的种类和用途。在下一篇文章中,我们将介绍密码学中的随机数产生器,敬请关注!

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