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1.简介

HMAC（Hash-based Message Authentication Code） 是一种基于哈希函数的消息认证码技术，用于同时验证数据完整性（Integrity）和身份真实性（Authentication）。其核心原理是通过密钥（Secret Key）与原始数据混合运算生成防篡改的签名，确保消息在传输中未被修改且来源可信。

2.工作原理

HMAC = Hash( (Key ⊕ opad) || Hash( (Key ⊕ ipad) || Message ) )

• Key：双方共享的密钥（需保密）。
• ipad / opad：固定填充常量（0x36 和 0x5C）。
• Hash：哈希算法（如 MD5、SHA-256 等）。
• Message：待认证的数据。
• ⊕ 表示异或运算（XOR, Exclusive OR）。
• || 密码学和数据处理中，|| 表示 字节连接（byte concatenation） 操作。

计算步骤：

• 密钥补位：若密钥长度不足，补0至哈希函数要求的块长度。

• 内层哈希：计算 Hash(Key ⊕ ipad || Message)。

• 外层哈希：计算 Hash(Key ⊕ opad || 内层哈希结果) → 生成最终 MAC 值（固定长度）。

以 SHA1 为例，加密示意图如下：

3.应用场景

3.1 API 请求认证

场景：客户端调用服务端 API 时防篡改。

流程：

客户端用密钥生成 HMAC(请求参数)，将结果放入请求头（如 X-Signature: sha256=xxxx）。

服务端用相同密钥和参数重新计算 HMAC，比对签名是否一致。

案例：AWS API 签名、微信支付回调验证。

3.2 一次性密码基础（One-Time Password，OTP 底层）

场景：HOTP（HMAC-based OTP）算法。

流程：

HOTP = Truncate( HMAC(SecretKey, Counter) ) → 生成6-8位动态密码

案例：银行U盾、Google Authenticator 的计数器模式。

3.3 用户密码存储

HMAC 可以用于安全地存储用户密码。用户密码不直接存储，而是与一个随机生成的盐值(salt) 结合，然后使用 HMAC 算法生成签名存储。

当用户登录时，服务器使用相同的盐值和 HMAC 算法计算密码的签名，并与存储的签名进行比较，验证用户身份。

3.4 会话令牌（Token）防篡改

场景：JWT（JSON Web Token）的签名部分。

JWT 的三个部分依次如下：

Header.Payload.Signature

更详细的构成如下：

# JWT 头部 + 负载 + HMAC签名
token = base64(header) + "." + base64(payload) + "." + base64(HMAC(密钥, header.payload))

服务端通过验证 HMAC 判断 Token 是否被篡改。

3.5 区块链交易验证

场景：验证交易发起者身份及数据完整性。

案例：Hyperledger Fabric 中的节点通信使用 HMAC 保护消息。

4.优势与局限性

优势	局限性
✅ 抗碰撞攻击：依赖哈希函数强度	❌ 密钥管理复杂：密钥泄露=系统沦陷
✅ 高效计算：对称加密速度快	❌ 无不可否认性：双方持有密钥，无法追溯责任人
✅ 防重放攻击：可结合时间戳/计数器	❌ 不加密数据：仅认证，需配合TLS等加密通道

5.代码示例（Python）

import hmac
import hashlibkey = b'secret_key'                     # 密钥（需安全存储）
message = b'critical_data'             # 待保护数据# 计算 HMAC-SHA256
hmac_digest = hmac.new(key, message, hashlib.sha256).hexdigest()
print("HMAC:", hmac_digest)            # 输出：64位十六进制字符串# 验证步骤
def verify_hmac(key, message, received_digest):new_digest = hmac.new(key, message, hashlib.sha256).hexdigest()return hmac.compare_digest(new_digest, received_digest)  # 防时序攻击的安全比对is_valid = verify_hmac(key, message, hmac_digest)
print("验证结果:", is_valid)            # True

6.注意事项

• 密钥强度：密钥长度 ≥ 哈希函数输出位（如 SHA-256 需 256 位密钥）。

• 哈希算法选择：弃用 MD5/SHA-1，优先选 SHA-256 或 SHA-3。

• 防时序攻击：使用 hmac.compare_digest()（Python）等安全比对函数。

• 密钥轮换：定期更新密钥以降低泄露风险。

7.小结

HMAC 通过“密钥+哈希”的简洁设计，为数据认证提供了高性价比的解决方案，是网络安全（如 API 防护）、身份认证（如 OTP）的基石技术。其安全性依赖于密钥保密性和哈希算法的抗碰撞能力。

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参考文献

HMAC - wikipedia