# HMAC 算法以及工作原理
# 一、消息认证码 (MAC) 简介
消息认证码 (Message Authentication Code，简称 MAC)，是密码学中的一个关键概念，主要用于确保信息在传输或存储过程中的完整性，同时提供对信息来源的身份验证。这是一种防止信息在未经授权的情况下被篡改的重要手段。
MAC 算法的核心在于它采用了一种特定的加密方式，这种方式也依赖于一个只有通信双方知道的秘钥。这意味着，即使攻击者能够截获到传输的信息，只要他们没有这个秘钥，就无法生成有效的 MAC 值，也无法对信息进行篡改而不被发现。
# MAC 的主要特性包括
- 完成性：MAC 能确保信息的完整性，即信息在传输或存储过程中没有被篡改。这是通过对此接收到的 MAC 值和重新计算的 MAC 值来实现的。如果两者相同，那么信息就被认为是完整的。
- 认证：MAC 能提供对信息来源的身份验证。因为只有知道秘钥的实体才能生成有效的 MAC 值，所以接收者可以通过验证 MAC 值来确认信息来源。
- 秘钥依赖性：MAC 值的计算依赖于秘钥，不同的秘钥会产生不同的 MAC 值。这增加了攻击者伪造有效 MAC 值的难度。
MAC 被广泛应用于网络通信、数据存储、电子商务等领域，以保护数据的安全性和可靠性。例如，在网络通信中，MAC 可以防止数据被篡改或冒充，确保数据的完整性和真实性；在数据存储中，MAC 可以防止数据被篡改或删除，保护数据的完整性和可靠性；在电商中，MAC 可以确保交易数据的完整性和真实性，防止数据被篡改或冒充，保护用户的隐私和安全。
# 二、HmacSHA1 算法
HmacSHA1 是一种结合了密钥与 SHA-1 哈希函数的消息认证码（MAC）算法。与 HmacMD5 类似，HmacSHA1 旨在通过引入密钥来增强 SHA-1 算法的安全性，以提供数据的完整性和身份验证。由于 SHA-1 相较于 MD5 具有更高的安全性，HmacSHA1 也被广泛认为是一种更安全的消息认证码算法。
SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）是一种密码散列函数，美国国家安全局设计，并由美国国家标准技术研究所（NIST）发布为联邦资料处理标准（FIPS）。SHA-1 可以生成一个被称为消息摘要的 160 位（20 字节）散列值，散列值通常的呈现形式为 40 个十六进制数。
# HmacSHA1 算法的工作原理
# 1、秘钥处理：
HmacSHA1 算法首先会对密钥进行处理，以确保其长度符合算法的要求。通常，密钥会被填充至 64 字节（512 位）的长度。
如果密钥长度小于 64 字节，算法会在密钥的末尾填充 0，直到达到所需的长度。
如果密钥长度大于 64 字节，算法会使用 SHA-1 哈希函数对密钥进行哈希处理，得到一个固定长度（20 字节，160 位）的哈希值，然后将其作为实际的密钥使用。
# 2、秘钥划分与填充：
与 HmacMD5 类似，处理后的密钥会被划分为两个等长的子密钥，但由于 SHA-1 的块大小是 512 位（64 字节），这两个子密钥实际上是通过对原始密钥与特定的填充常量（如 ipad 和 opad）进行异或运算得到的。
ipad（内部填充常量）和 opad（外部填充常量）是特定的字节序列，用于与密钥进行异或运算，以生成两个新的密钥：K1（内部密钥）和 K2（外部密钥）。
# 3、消息处理与哈希计算：
消息在进行哈希之前，会被划分为多个块，每个块的大小与 SHA-1 算法的输入块大小相同（512 位）。最后一个块可能需要按照特定的方式进行填充。
对于每个消息块，算法会将其与子密钥 K1 一起作为输入，进行 SHA-1 哈希计算，得到一个中间哈希值。
然后，算法会取所有中间哈希值的串联（对于多个消息块的情况），与子密钥 K2 一起作为输入，进行另一次 SHA-1 哈希计算。最终得到的哈希值就是消息的 HmacSHA1 值。
# 4、安全性考虑：
HmacSHA1 算法结合了 SHA-1 哈希函数的不可逆性和密钥作为干扰项的特点，使得攻击者无法轻易伪造出有效的 HmacSHA1 值。即使攻击者截获了消息和对应的 HmacSHA1 值，没有密钥的情况下也无法对消息进行篡改而不被发现。
然而，需要注意的是，近年来对 SHA-1 的安全性也提出了一些质疑，特别是关于其潜在的碰撞性攻击风险。虽然在实际应用中尚未出现成功的攻击案例，但为了安全起见，许多组织已经开始逐步淘汰 SHA-1 和 HmacSHA1，转向使用更安全的哈希函数和相应的 Hmac 算法（如 SHA-256 和 HmacSHA256）。
# 三、HmacMD5 算法
HmacMD5 是一种结合了密钥与 MD5 哈希函数的消息认证码（MAC）算法。它旨在通过引入密钥来增强 MD5 算法的安全性，从而提供数据的完整性和身份验证。HmacMD5 广泛应用于网络通信和数据存储等领域，以确保数据的机密性和完整性。
# HmacMD5 算法的工作原理
# 1、秘钥处理：
HmacMD5 算法首先会对密钥进行处理，以确保其长度符合算法的要求。通常，密钥会被填充至 64 字节（512 位）的长度。
如果密钥长度小于 64 字节，算法会在密钥的末尾填充 0，直到达到所需的长度。
如果密钥长度大于 64 字节，算法会使用 MD5 哈希函数对密钥进行哈希处理，得到一个固定长度（16 字节，128 位）的哈希值，然后将其作为实际的密钥使用。
# 2、秘钥划分：
经过处理的密钥会被划分为两个等长的子密钥，分别称为 K1 和 K2。
如果密钥是原始密钥的哈希值（16 字节），则 K1 是原始密钥与 ipad（一个特定的常量）的逐位异或结果，K2 是原始密钥与 opad（另一个特定的常量）的逐位异或结果。
# 3、消息处理：
消息在进行哈希之前，通常会被划分为多个块，每个块的大小与 MD5 算法的输入块大小相同（64 字节）。对于最后一个可能不足 64 字节的块，需要按照特定的方式进行填充，以确保其长度达到 64 字节。填充的内容包括一个 “1”、多个 “0” 以及原始消息的长度（以 64 位二进制数表示）。
# 4、哈希计算：
对于每个消息块，算法会将其与子密钥 K1 一起作为输入，计算出一个中间哈希值。这是通过将 K1 附加到消息块的前面或后面，并对整个输入应用 MD5 哈希函数来实现的。
然后，算法会取所有中间哈希值的串联（对于多个消息块的情况），与子密钥 K2 一起作为输入，进行另一次 MD5 哈希计算。最终得到的哈希值就是消息的 HmacMD5 值。
尽管 HmacMD5 算法通过引入密钥增强了 MD5 算法的安全性，但 MD5 算法本身存在已知的弱点，如潜在的碰撞性攻击风险。因此，在需要更高安全性的场景下，建议使用更安全的哈希函数和相应的 Hmac 算法，如 HmacSHA256。
# MD5
- MD5 信息摘要算法 (英语：MD5 Message-Digest Algorithm)，一种被广泛使用的密码散列函数，可以生产出一个 128 位 (16 字节) 的散列值 (hash value)，用于确保信息传输完整一致。
- MD5 将任意长度的 "字符串" 变换成 128 位 (4 个 32 位) 的大整数，它是一个不可逆的数据转换过程。
# MD5 算法步骤
# 步骤 1：补位
将原始数据转换为二进制看，先在尾补一个 1，再补 0，再补一个 64 位的原始数据长度 (单位 bit)，补完后数据位数长度为 512 的倍数；
注意：即便是这个数据的位数长度对 512 求模的结果正好是 448 也必须进行补位。总之，至少补 1 位，而最多可能补 512 位
# 步骤 2：分组
以 512 位分组，每组又分为 16 个 32 位的子分组 M [0] ~ M [15]
# 步骤 3：每组计算
输入量
每个 512 bit 分组都要经历一次 4 轮的逻辑处理；
每 4 轮逻辑处理的输入量为：链接变量 A，B，C，D 和每组的 M [0] ~ M [15]
四个链接变量 A，B，C，D 初始值为：
A = 0x12345678
B = 0x89ABCDEF
C = 0xFEDCBA98
D = 0x76543210
注意：初始的 A，B，C，D，4 个链接变量与每组的 M [0] ~ M [15] 在进入计算前要先经过 大小端处理
定义 4 个非线性函数 F，G，H，I
每轮用一个非线性函数计算，即：
在第一轮中，M [0] ~ M [15] 分别代入到函数 F 中运算；
在第二轮中，M [0] ~ M [15] 分别代入到函数 G 中运算；
在第三轮中，M [0] ~ M [15] 分别代入到函数 H 中运算；
在第四轮中，M [0] ~ M [15] 分别代入到函数 I 中运算；
那么 4 轮一共会进行 16 * 4 = 64 此运算。
输出量
每一个 512bit 分组经过 4 轮的逻辑处理后，会得到四个 32 位的值 a，b，c，d；将它们分别加上输入时的链接变量的值，就会得到新的链接变量的值，此值再继续输入参与下一 512bit 分组的 4 轮逻辑处理；
A = a + A
B = b + B
C = c + C
D = d + D
# 步骤 4：最终结果输出
经过了一系列的计算处理后，输出结果由 4 个 32 位数据组成，将这 4 个 32 位数据级联后将生成一个 128 位散列值，即为 MD5 值。
参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/136590049 HMAC 算法及其应用
