前情提要

简介

消息验证码算法（也称为MAC算法）的作用是防止通信过程中消息被篡改和伪造，保证了消息的完整性和真实性。

假设有这样一个API，返回最近几天的天气状况，由于天气信息是公开的，不需要进行加密通信，但明文通信可能存在以下几个问题：

完整性破坏：某人截获了数据包并修改数据内容，使得API调用方获得了虚假数据
真实性破坏：API提供方尚未返回数据，但是被某个中间人伪造了一份数据返回

消息验证码的出现正是解决此类问题的

MAC算法使用非常简单，就是消息发送方根据<原消息, 密钥>计算出MAC值，和消息一起发送给接收方；接收方收到消息后，重复上述步骤计算出MAC值，和传递来的MAC值对比，如果不同，说明消息被篡改，则立即丢弃

常用算法

密码学中，MAC算法主要由两种形式：

CBC-MAC (Cipher Block Chaining Message Authentication Code)：从对称加密中的CBC迭代模式演变而来，通常用于保护短消息的完整性，例如消息的头部信息或消息的摘要信息。它也可以用于保护长消息的完整性，但需要将长消息分成多个短消息进行加密。
HMAC (Hash-based Message Authentication Code)：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，也是在HTTP MAC算法中应用最多的。通常用于保护长消息的完整性，也可以用于加密文件或大型数据流，因为哈希函数可以处理任意长度的数据。

基于Go的HMAC算法实现的使用示例

import (
	"crypto/hmac"
	"crypto/sha256"
	"encoding/hex"
	"fmt"
)

// 计算消息验证码
func generateHMAC(message []byte, key []byte) string {
	hash := hmac.New(sha256.New, key)
	hash.Write(message)
	// 将计算得到的 HMAC 值转换为 16 进制字符串
	return hex.EncodeToString(hash.Sum(nil))
}

// 验证消息验证码是否正确
func verifyHMAC(message []byte, key []byte, expectedMAC string) bool {
	// 计算消息的 HMAC 值
	mac := generateHMAC(message, key)
	// 比较计算得到的 HMAC 值和期望的 HMAC 值是否相同
	return hmac.Equal([]byte(mac), []byte(expectedMAC))
}

实现原理

下面分别介绍下CBC-MAC和HMAC算法实现原理：

CBC-MAC

CBC-MAC算法是基于对称密钥的加密算法，它使用块密码算法（如AES）和CBC模式进行加密，并将最后一个加密块的输出作为消息验证码

计算MAC过程

将待加密的消息划分为若干个固定长度的块（一般为64位或128位）
选择一个随机的密钥K，将其作为加密算法的输入，并使用该密钥对第一个消息块进行加密
对于后续的每一个消息块，都将其与前一个消息块的加密结果进行异或操作，然后再使用密钥K对异或的结果进行加密
将最后一个加密结果作为消息的认证码（MAC），用于验证消息的完整性和真实性

细心的读者发现了CBC-MAC这和对称加密算法中的CBC模式非常相似，最终的MAC值即为最后一个分组的加密值，这也是它为什么被称为CBC-MAC的原因

那如果我们使用了对称加密，是不是就不需要MAC算法了呢，换句话说，对称加密算法是不是天然具备了MAC算法呢？答案是否定的，对称加密并不能代替MAC，主要原因在于攻击者可以篡改部分加密后信息，使得消息可以被解密，但是解密出来的结果不是原文

HMAC

HMAC是一种基于哈希函数的消息验证码算法。它的原理是将消息与密钥结合起来进行哈希计算，从而生成消息验证码，以确保消息的完整性和真实性

计算MAC过程

在HMAC算法中，使用一个密钥K和一个消息M作为输入，通过一个特定的哈希函数H来生成消息验证码，其计算过程如下：

密钥长度调整：如果密钥长度超过哈希函数H的块长度，则将密钥K进行哈希，生成一个长度为H的输出
密钥填充：将密钥K在前面填充0，使其长度等于哈希函数H的块长度
内部哈希值计算：将填充后的密钥K与消息M进行异或运算，得到一个长度等于块长度的结果，然后将该结果作为初始哈希值计算得到一个内部哈希值
最终哈希值计算：将填充后的密钥K与内部哈希值进行异或运算，得到一个长度等于块长度的结果，然后将该结果作为初始哈希值计算得到最终哈希值
消息验证码生成：将最终哈希值作为消息验证码输出

HMAC的过程就是多次HASH和密钥的运算，说的简单一点，就是一个带加密运算的HASH

那为什么我们不直接使用HASH函数作为MAC算法呢，主要就是在于防止中间人攻击。攻击人不能仅修改消息值，但是它可以通过修改消息值并重新计算HASH值来达到伪造的目的，引入密钥正是为了解决此类问题

总结

本文通过CBC-MAC和常用的HMAC算法介绍了消息验证码算法，相信大家对消息验证有了一定的了解。下篇我们开始介绍HTTPS的核心算法-非对称加密，以及围绕非对称加密的系列密码套件组合使用方式和场景～

深入理解HTTPS系列-密码学篇-消息验证码(四)

简介

常用算法

实现原理

CBC-MAC

HMAC

总结