文章总结： 文档解析了消息鉴别码（MAC）用于保证完整性与身份验证的原理，详细对比HMAC与CMAC两种算法。HMAC基于哈希函数实现简单高效，CMAC基于分组密码安全性更高。两者广泛应用于API认证、TLS及物联网等领域。建议根据安全需求与性能权衡选择算法，并严格管理密钥以防范篡改风险。
综合评分： 85
文章分类： 数据安全,网络安全,应用安全,技术标准
密评专栏丨消息鉴别码
创信华通
2025年12月25日 17:21
四川
引言
在密码学中，消息鉴别码（英语：Messageauthenticationcode，缩写为MAC），又译为消息鉴别码、文件消息认证码、讯息鉴别码、信息认证码，是经过特定算法后产生的一小段信息，检查某段消息的完整性，以及作身份验证。它可以用来检查在消息传递过程中，其内容是否被更改过，不管更改的原因是来自意外或是蓄意攻击。同时可以作为消息来源的身份验证，确认消息的来源。
消息鉴别码工作原理
MAC的工作原理、MAC的生成和验证流程如下：
1.生成MAC（发送方）
输入：原始消息（Message）+共享密钥（SecretKey）。
计算MAC：通过特定算法（如HMAC）生成固定长度的标签（MACTag）。
发送：将原始消息和MACTag一起发送给接收方。
2.验证MAC（接收方）
接收数据：获取消息和MACTag。
重新计算MAC：使用相同的密钥和算法对消息重新生成MACTag。
比对：
a.一致：消息未被篡改，且由合法发送方生成。
b.不一致：消息可能被篡改，或密钥错误。
图1消息鉴别码工作流程
MAC有以下常见类别：
- 基于哈希的MAC（HMAC）
原理：结合哈希函数（如SHA-256）和密钥生成MAC。
特点：高效、标准化（RFC2104），广泛用于TLS、JWT等协议。
- 基于分组密码的MAC（如CMAC）
原理：使用分组密码算法（如AES）生成MAC。
特点：适合硬件实现，资源受限场景常用。
- 其他类型
Poly1305：基于模运算的高效MAC，与ChaCha20加密算法配合使用。
GMAC：基于伽罗华域的MAC，用于GCM加密模式。
二、基于哈希的MAC（HMAC）
HMAC（Hash-basedMessageAuthenticationCode是一种基于哈希函数的消息认证码（MAC）算法，用于验证数据的完整性和真实性。它通过结合哈希算法与密钥来生成一个认证码，可以防止数据在传输过程中被篡改。HMAC广泛应用于网络协议（如TLS、IPSec等）、数字签名以及API认证等场景中。
图2HMAC的工作流程
如上图所示，HMAC的工作流程包含以下几个步骤：
1.选择哈希算法：HMAC可以使用任何哈希函数，如MD5、SHA-1、SHA-256等。算法的选择通常取决于安全要求及性能需求。
2.密钥处理：HMAC算法需要一个密钥。如果密钥的长度小于哈希函数的块大小，则需要对密钥进行填充，在末尾填充0。如果密钥的长度大于块大小，则首先对密钥进行哈希处理，使得密钥的长度与块大小一致。
3.内外填充：在HMAC中，密钥会被分别与两个常量值（ipad和opad）进行组合：
- ipad（内填充）：一个由0x36组成的块（长度等于哈希函数的块大小）。
- opad（外填充）：一个由0x5C组成的块（长度等于哈希函数的块大小）。
4.计算过程：HMAC的计算分为两个主要步骤：
- 内层哈希：首先将密钥与ipad进行异或运算，得到一个新的密钥。然后，将该新密钥与消息数据进行连接，并计算哈希值。
- 外层哈希：接着，将密钥与opad进行异或运算，得到一个新的密钥。然后，将该新密钥与第一步得到的哈希值进行连接，并计算哈希值。最终得到的哈希值就是HMAC值。
HMAC的安全性依赖于两个因素：
1.哈希函数的安全性：如果选择的哈希函数本身存在安全漏洞（如碰撞攻击），则HMAC的安全性也会受到影响。
2.密钥的管理：HMAC依赖于密钥的机密性。如果密钥泄露，HMAC的安全性将大大降低。
因此，建议使用强大的哈希算法（如SHA-256或更高版本的算法），并采取合适的措施管理密钥。
HMAC有许多应用场景：
1.API认证：通过HMAC可以确保请求的数据未被篡改，并且能够验证请求者的身份。
2.数字签名：HMAC可用于签名消息，确保消息的完整性。
3.加密协议：如SSL/TLS，HMAC用于保证数据在传输过程中不被篡改。
三、基于分组密码的MAC（如CMAC）
CMAC（基于分组加密的消息认证码），一般用作消息的签名。与HMAC相同的是都需要一把密钥来加密内容得到MAC，只是MAC的产生方法不同，一个是用hash算法，一个是用分组加密算法。
图3 CMAC的工作流程
如上图所示，CMAC的工作原理：
1.初始化：CMAC使用一个固定长度的密钥来初始化。密钥的长度通常与底层的对称加密算法（如AES）相关联。
2.分块处理：首先，将消息分成多个固定长度的块。如果消息长度不是块大小的倍数，则可以使用填充来将其填充到合适的大小。
3.生成子密钥：根据初始密钥生成用于加密的子密钥。通常，CMAC使用两个不同的子密钥，分别用于生成左右两个分支的子密钥。
4.生成MAC：
- 左分支：将消息的每个块与左分支的子密钥进行加密。对于最后一个块，如果长度不够，则使用填充。
- 右分支：将左分支的结果进行异或运算，然后再与右分支的子密钥进行加密。
5.结果：将右分支的加密结果截取指定长度作为最终的认证码。
6.认证：将消息的认证码与生成的MAC进行比较。如果两者相匹配，则消息未被篡改，认证成功。
CMAC常用于以下场景：
1.网络安全协议：
- TLS/SSL：用于加密通信的完整性验证。
- IPSec：保护VPN数据包的来源和完整性。
2.物联网设备认证：设备间通过CMAC验证指令合法性（如智能家居控制指令）。
3.固件/软件签名：开发者用CMAC签名固件，设备端验证后确保固件未被篡改。
4.金融交易：支付终端与服务器间验证交易数据的真实性。
四、HAMC与CMAC的区别
1.HMAC算法的优势：
HMAC算法支持多种哈希函数，可以适应不同的安全需求。常用的哈希函数有MD5、SHA-1、SHA-256等；
HMAC算法实现简单，速度快；
HMAC算法的安全性得到了广泛的认可，已成为许多网络和应用程序的标准验证机制。
2.HMAC算法的劣势：
HMAC算法有时存在哈希冲突安全性问题（即两个不同的消息产生相同的哈希值），但可以通过使用更安全的哈希函数（如SHA-256和SHA-512等）来缓解；
HMAC算法不支持对称加密算法，因此在需要支持对称加密算法的情况下，HMAC算法将不是最好的选择。
相对于HMAC算法，CMAC算法具有以下优劣势：
1.CMAC算法的优势：
CMAC算法提供更高的安全性，具有更好的抗攻击能力；
CMAC算法可以与对称加密算法结合使用，适用于加密通信和存储设备数据认证等领域；
CMAC算法使用固定长度的密钥，而不是可变长度的密钥，从而提高了密钥的安全性。
2.CMAC算法的劣势：
CMAC算法的实现比HMAC算法复杂，速度较慢；
CMAC算法使用的加密算法比HMAC算法更受限制，不支持多种哈希函数，而且需要使用固定长度的数据块（如AES加密算法的128比特数据块）。
– END –
供稿：杨老师
编辑：小 鱼
审核：王老师
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