java | 加密 | Hmac算法

Hmac算法就是一种基于密钥的消息认证码算法，它的全称是Hash-based Message Authentication Code，是一种更安全的消息摘要算法。

Hmac算法总是和某种哈希算法配合起来用的。例如，我们使用MD5算法，对应的就是HmacMD5算法，它相当于“加盐”的MD5：「加盐的定义看后面」

HmacMD5 ≈ md5(secure_random_key, input)

因此，HmacMD5可以看作带有一个安全的key的MD5。使用HmacMD5而不是用MD5加salt，有如下好处：

• HmacMD5使用的key长度是64字节，更安全；
• Hmac是标准算法，同样适用于SHA-1等其他哈希算法；
• Hmac输出和原有的哈希算法长度一致。

可见，Hmac本质上就是把key混入摘要的算法。验证此哈希时，除了原始的输入数据，还要提供key。

随机加盐

为了保证安全，我们不会自己指定key，而是通过Java标准库的KeyGenerator生成一个安全的随机的key。下面是使用HmacMD5的代码：

import java.math.BigInteger;
import javax.crypto.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
        SecretKey key = keyGen.generateKey();
        // 打印随机生成的key:
        byte[] skey = key.getEncoded();
        System.out.println(new BigInteger(1, skey).toString(16));
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
        mac.init(key);
        mac.update("HelloWorld".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = mac.doFinal();
        System.out.println(new BigInteger(1, result).toString(16));
    }
}

和MD5相比，使用HmacMD5的步骤是：

• 通过名称HmacMD5获取KeyGenerator实例；
• 通过KeyGenerator创建一个SecretKey实例；
• 通过名称HmacMD5获取Mac实例；
• 用SecretKey初始化Mac实例；
• 对Mac实例反复调用update(byte[])输入数据；
• 调用Mac实例的doFinal()获取最终的哈希值

固定加盐

有了Hmac计算的哈希和SecretKey，我们想要验证怎么办？这时，SecretKey不能从KeyGenerator生成，而是从一个byte[]数组恢复：

import java.util.Arrays;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] hkey = new byte[] { 106, 70, -110, 125, 39, -20, 52, 56, 85, 9, -19, -72, 52, -53, 52, -45, -6, 119, -63,
                30, 20, -83, -28, 77, 98, 109, -32, -76, 121, -106, 0, -74, -107, -114, -45, 104, -104, -8, 2, 121, 6,
                97, -18, -13, -63, -30, -125, -103, -80, -46, 113, -14, 68, 32, -46, 101, -116, -104, -81, -108, 122,
                89, -106, -109 };

        SecretKey key = new SecretKeySpec(hkey, "HmacMD5");
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
        mac.init(key);
        mac.update("HelloWorld".getBytes("UTF-8"));
        byte[] result = mac.doFinal();
        System.out.println(Arrays.toString(result));
        // [126, 59, 37, 63, 73, 90, 111, -96, -77, 15, 82, -74, 122, -55, -67, 54]
    }
}

恢复SecretKey的语句就是new SecretKeySpec(hkey, "HmacMD5")。

上面的代码，等价于

import java.util.Arrays;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        byte[] hkey = new byte[]{106, 70, -110, 125, 39, -20, 52, 56, 85, 9, -19, -72, 52, -53, 52, -45, -6, 119, -63,
                30, 20, -83, -28, 77, 98, 109, -32, -76, 121, -106, 0, -74, -107, -114, -45, 104, -104, -8, 2, 121, 6,
                97, -18, -13, -63, -30, -125, -103, -80, -46, 113, -14, 68, 32, -46, 101, -116, -104, -81, -108, 122,
                89, -106, -109};

        SecretKey key = new SecretKeySpec(hkey, "HmacMD5");
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacMD5");
        mac.init(key);
        byte[] result = mac.doFinal("HelloWorld".getBytes("UTF-8"));
        System.out.println(Arrays.toString(result));
    }
}

交易所 OKEX 的验证方式

String preHash = preHash(timestamp, method, requestPath, queryString, body); # 一个转换方式
byte[] secretKeyBytes = secretKey.getBytes(CharsetEnum.UTF_8.charset());
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(secretKeyBytes, AlgorithmEnum.HMAC_SHA256.algorithm());
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
mac.init(secretKeySpec);
return java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(mac.doFinal(preHash.getBytes(CharsetEnum.UTF_8.charset())));

加盐

在用户输入原始口令后，系统计算用户输入的原始口令的MD5并与数据库存储的MD5对比，如果一致，说明口令正确，否则，口令错误。

因此，数据库存储用户名和口令的表内容应该像下面这样：

username	password
bob	f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1
alice	25d55ad283aa400af464c76d713c07ad
tim	bed128365216c019988915ed3add75fb

这样一来，数据库管理员看不到用户的原始口令。即使数据库泄漏，黑客也无法拿到用户的原始口令。想要拿到用户的原始口令，必须用暴力穷举的方法，一个口令一个口令地试，直到某个口令计算的MD5恰好等于指定值。

使用哈希口令时，还要注意防止彩虹表攻击。

什么是彩虹表呢？上面讲到了，如果只拿到MD5，从MD5反推明文口令，只能使用暴力穷举的方法。

然而黑客并不笨，暴力穷举会消耗大量的算力和时间。但是，如果有一个预先计算好的常用口令和它们的MD5的对照表：

常用口令	MD5
hello123	f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1
12345678	25d55ad283aa400af464c76d713c07ad
passw0rd	bed128365216c019988915ed3add75fb
19700101	570da6d5277a646f6552b8832012f5dc
…	…
20201231	6879c0ae9117b50074ce0a0d4c843060

这个表就是彩虹表。如果用户使用了常用口令，黑客从MD5一下就能反查到原始口令：

bob的MD5：f30aa7a662c728b7407c54ae6bfd27d1，原始口令：hello123；
alice的MD5：25d55ad283aa400af464c76d713c07ad，原始口令：12345678；
tim的MD5：bed128365216c019988915ed3add75fb，原始口令：passw0rd。

这就是为什么不要使用常用密码，以及不要使用生日作为密码的原因。

即使用户使用了常用口令，我们也可以采取措施来抵御彩虹表攻击，方法是对每个口令额外添加随机数，这个方法称之为加盐（salt）：

digest = md5(salt+inputPassword)

经过加盐处理的数据库表，内容如下：

username	salt	password
bob	H1r0a	a5022319ff4c56955e22a74abcc2c210
alice	7$p2w	e5de688c99e961ed6e560b972dab8b6a
tim	z5Sk9	1eee304b92dc0d105904e7ab58fd2f64

加盐的目的在于使黑客的彩虹表失效，即使用户使用常用口令，也无法从MD5反推原始口令。