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企业网站自助建站上海,做网站用的笔记本配置,WordPress 软件 模板,企业培训考试系统作者#xff1a;chen-trueqq.com仅供学习交流#xff0c;如有错误恳请指出#xff01;一、消息认证码#xff08;MAC#xff09;的概念密码学上的MAC是指消息认证码#xff08;Message Authentication Code#xff09;#xff0c;是一种用于保证消息的完整性和认证性的…作者chen-trueqq.com仅供学习交流如有错误恳请指出一、消息认证码MAC的概念密码学上的MAC是指消息认证码Message Authentication Code是一种用于保证消息的完整性和认证性的密码学技术。它的核心目标是解决以下两个问题·完整性消息在传输过程中是否被篡改·认证性这个消息是否确实来自正确合法的发送方注意我们在前面讲到过哈希函数但是单纯的哈希函数只能提供消息的完整性而无法对消息进行认证。1MAC的工作原理1、通信双方Alice和Bob共享一个相同的密钥K这是一个关键点MAC是对称密码学的技术。2、发送方Alice对要发送的原始消息M 使用密钥K和一个特定的MAC算法进行计算生成一个固定长度的短数据块称为MAC值或标签记为Tag MAC(K, M)。3、Alice将原始消息M和计算出的Tag一起发送给Bob。4、接收方Bob收到M和Tag后使用自己持有的相同密钥K和相同的MAC算法对收到的消息M重新计算一次Tag记为Tag_calculated MAC(K, M)。5、Bob将自己计算出的Tag_calculated与收到的Tag进行比较如果两者完全相同则证明·消息是完整的M没有被篡改因为任何对M的修改都会导致MAC值完全不同。·消息是认证的发送者确实拥有密钥K所以很可能是合法的发送方Alice。关键特性·密钥依赖性没有密钥无法伪造有效的MAC。·抗碰撞性很难找到两个不同的消息产生相同的MAC值。·不可逆性无法从MAC值反推出原始消息或密钥。图 MAC验证流程2MAC的实现消息认证码MAC本质上是一种密码学的设计思想或安全目标而不是某种具体的算法其核心目的是解决“消息完整性和认证”问题。为了实现这一思想密码学家设计了许多具体的算法。主要可以分为以下几大类1、基于哈希函数的MACHash-based MACHMAC这是最常见、使用最广泛的一类利用密码学哈希函数如SHA-2SHA-3来构造MAC。2、基于分组密码的MACBlock Cipher-based MAC利用AES等分组密码算法来构造。·CBC-MAC最古老的一种在CBC加密模式下取最后一个密文块作为MAC。但原始CBC-MAC对变长消息不安全。·CMAC由CBC-MAC改进而来是NIST的标准。它通过处理最后一个分组并应用子密钥来避免长度扩展攻击安全性高。比如基于AES的CMAC即AES-CMAC。3、认证加密模式中的MACMAC within AEAD在现代密码学中MAC思想常与加密功能集成形成“认证加密”模式一次性同时提供保密性、完整性和认证。·GCMGalois/Counter Mode。它使用CTR模式加密同时利用一个在伽罗瓦域上的通用哈希函数快速生成认证标签GMAC。比如AES-GCM这是目前TLS和许多协议中最主流的认证加密模式。·CCM先将消息用CBC-MAC认证然后用CTR模式加密。相对GCM更保守但性能稍差。二、HMACHMAC是基于哈希函数的消息认证码MAC简单来说HMAC是MAC的一种具体、安全、广泛使用的实现方式。它并不是一个全新的概念而是使用密码学哈希函数如MD5SHA-1SHA-256来构造MAC算法的一种标准化方案。以“交通工具”和“汽车”的关系作为对比·MAC就像“交通工具”它的功能是将人或物从A点运送到B点。·HMAC就像“汽车”它是一种具体、高效、广泛使用的实现“交通工具”功能的方式。·但是除了“汽车”还有其他实现“交通工具”的方式比如“自行车”CBC-MACGMAC等。1HMAC的计算公式早期人们尝试直接用MAC HashKM的方式构造MAC但存在一些安全弱点如长度扩展攻击。后来人们提供了一个更安全、更结构化的方法来利用哈希函数构建MAC那就是HMAC。公式HMAC(K, M) H( (K ⊕ opad) || H( (K ⊕ ipad) || M ) )其中·H是具体选用的底层哈希函数如MD5、SHA-256。·K是共享密钥。·M是消息。·opad外填充和 ipad内填充是固定的常量。·|| 表示连接操作。·⊕ 表示异或操作。这种两次哈希加密钥混合的结构有效地将密钥与消息在哈希过程的开始和结束都绑定起来安全性得到了严格证明。注意HMAC是有固定的计算公式的只是可以选用不同的底层哈希函数。图 常见HMAC算法2MAC是否具有单向性的解释HMAC的核心构造基于密码学哈希函数如SHA-256而哈希函数的核心属性之一就是单向性因此HMAC也具有单向性。但对于另一类MAC例如基于分组密码的CBC-MAC其底层是AES这样的可逆加解密函数。从纯函数角度看如果知道密钥AES的解密过程就是“逆运算”。因此CBC-MAC的构造块本身不是数学单向函数。从密码学安全目标看评价一个MAC是否安全并不严格要求其底层是数学单向函数而是要求它满足以下实用安全属性这些属性的综合效果在功能上等同于“单向”1、计算上不可伪造这是MAC最核心的目标。不知道密钥 K 的攻击者即使能获取任意数量MTag对也无法为一条新的消息计算出有效的MAC。这被称为“存在性不可伪造”。2、密钥隐藏性从MAC值无法恢复出密钥K。这是HMAC单向性直接保证的也是所有安全MAC必须有的。3、抗碰撞性很难找到两条不同的消息产生相同的MAC值。因此对于CBC-MAC这类基于加密的MAC虽然AES本身可逆但密钥K是保密的。攻击者不知道K就无法利用AES的可逆性来进行逆向计算。因此在不知道密钥的前提下一个安全的CBC-MAC对于攻击者来说表现得就像一个单向函数——他们无法从输出推导出任何有用信息密钥或有效的新MAC。