MAC & HMAC

在前一段做安全接入的时候，结合了多种安全和密码学的算法，设计了一套敏感数据传输方案。今天主要介绍的是其中用到的消息认证码（Message authentication code，缩写为MAC）。这里的MAC并不是网卡物理地址的那个MAC，注意区分。

介绍

在密码学中，MAC是一小段字节信息，用于验证发送消息的完整性(data integrity)，以及消息的身份认证(确定消息的发送者的身份 - its authenticity)。
另一方面来说，MAC可以做到识别内容篡改和内容伪造。
回忆一下，Hash算法例如SHA256、MD5等，也可以完成消息完整性的验证，数字签名算法(其实内部也结合了消息散列函数)也可以达到MAC的这两项作用。

定义

MAC（生成tag）由三个算法组成：

• 密钥key生成算法。从密钥空间中选择出来的key是均匀和随机的。
• 签名算法。给定Key和消息，生成唯一的tag。
• 验证算法。给定Key，tag和消息，验证是否符合。

安全

MAC方法必须能够抵御chosen-plaintext attacks。
简单解释一下：
Alice和Bob约定一个只有他们两个知道的MAC key。Eve在监视他们的通信，并且可以获取到他们通信的信息和对应的tags。
但是Eve根据得到的这些对应信息，并不能推算出其他消息的有效tag。
即使Eve可以说服Alice和Bob发送一些指定的信息，也依旧不能推算出来。
在Eve看来，tag是完全随机的字节。

MAC与数字签名的主要不同点，在于MAC在生成和验证阶段使用的是相同的key，接收者和发送者必须实现约定相同的key，才能使用MAC方法进行通信。
数字签名则是使用的非对称的公钥和私钥机制，使用私钥进行签名，公钥验证签名。

实现

HMAC是MAC方法的一种具体实现，使用key和一些特点的Hash函数来生成MAC，常见的有Hmac_MD5，Hmac_SHA1，Hmac_SHA256，Hmac_SHA384，Hmac_SHA512.

Java代码示例

private static final String HMAC_ALGORITHM = "HmacSHA256";
private static final int HMAC_KEY_LENGTH_BITS = 256;

public static SecretKey getSecretKey() throws Exception {
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(HMAC_ALGORITHM);
    return keyGenerator.generateKey();

}

private static byte[] randomBytes(int length) {
    SecureRandom random = new SecureRandom();
    byte[] b = new byte[length];
    random.nextBytes(b);
    return b;
}

/**
 * Generate the mac based on HMAC_ALGORITHM
 *
 * @param integrityKey   The key used for hmac
 * @param byteCipherText the cipher text
 *
 * @return A byte array of the HMAC for the given key and ciphertext
 *
 * @throws NoSuchAlgorithmException
 * @throws InvalidKeyException
 */
public static byte[] generateMac(byte[] byteCipherText, SecretKey integrityKey)
        throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
    // Now compute the mac for later integrity checking
    Mac sha256HMAC = Mac.getInstance(HMAC_ALGORITHM);
    sha256HMAC.init(integrityKey);
    return sha256HMAC.doFinal(byteCipherText);
}

参考：
https://en.wikipedia.org/wiki/Message_authentication_code
https://en.wikipedia.org/wiki/Chosen-plaintext_attack