Go-哈希函数与消息认证详解（含代码）

灰太狼 2022-10-10 09:58 33阅读 0赞

### 目录 ###

*  哈希函数
 *   *  简介
     *  历史
     *  特性
     *  安全性
     *  MD族
     *   *  md4
         *  md5
     *  SHA系列
     *   *  SHA-1
         *  SHA-2
 *  消息认证
 *   *  消息认证的目的
     *  消息认证码
     *  认证码与检错码
 *  HMAC的Go实现
 *   *  crypto/hmac包
     *  hash包
     *  crypto/sha1包
     *  代码实现
     *  截图
 *  参考

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# 哈希函数 #

## 简介 ##

哈希函数也称**散列函数、杂凑函数**等，是一种**单向密码体制**，即它是一个从明文到密文的不可逆映射，即只有“加密”过程，不存在“解密”过程。同时，Hash函数可以将“任意”长度的输入经过变换以后得到**固定长度**的输出。Hash函数的这种**单向**特征和**输出数据长度固定**的特征使得它可以生成消息或数据块的“**数据指纹**”(也称**消息摘要、哈希值或散列值**)，因此，哈希函数在数据完整性和数字签名等领域有广泛的应用。  
使用公式表示为：  
 h = H ( m ) h=H(m) h=H(m)

*  M:任意长度的消息
 *  H:哈希(Hash)函数或杂凑函数或散列函数
 *  h:固定长度的哈希值

## 历史 ##

Hash的**概念起源于1956年**，Dumey用它来解决symbol table question(符号表问题)， 使得数据表的插入、删除、查询操作可以在**更短**的时间内完成。  
散列算法**MD族**是在上个世纪90年代初由Ron●Rivest设计的，MD代表消息摘要(**m**essage-**d**igest)， MD2(1989)、MD4(1990)和MD5(1991)都产生一个**128位**的信息摘要。  
**SHA系列算法**是美国国家标准与技术研究院(NIST)根据Rivest设计的MD4和MD5而开发的算法，国家安全当局发布SHA作为美国政府标准，SHA(**S**ecure **H**ash **A**lgorithm)表示安全散列算法。

## 特性 ##

*  输入：消息是**任意**有限长度。
 *  输出：哈希值是**固定**长度。
 *  容易计算：对于任意给定的消息,容易计算其哈希值(**正向容易**)。
 *  单向性：对于给定的哈希值h,要找到M使得H(M)=h在计算上是不可行的。(**逆向不可行**)

## 安全性 ##

*  抗弱碰撞性：对于给定的消息M，要发现另一个消息M2，满足 H ( M 1 ) = H ( M 2 ) H(M\_1)=H(M\_2) H(M1)=H(M2)在计算上是不可行的。
 *  抗强碰撞性：找任意一对不同的消息M, M2，使 H ( M 1 ) = H ( M 2 ) H(M\_1)=H(M\_2) H(M1)=H(M2)在计算上是不可行的。
 *  随机性：当一个输入位发生变化时，输出位将发生很大变化。(**雪崩效应**)

## MD族 ##

### md4 ###

MD4 由Ron Rivest设计 1990年  
具有3轮16步，输出位长度为128位。  
特点：对任意长度的输入，产生128位输出；其安全性不依赖任何假设，适合高速实现  
MD4公布不久，一些密码学家发现，如果去掉MD4算法的第一轮和最后一轮，则算法是不安全的，但他们并没有证明整个算法是不安全的。

### md5 ###

MD5 由Ron Rivest设计 1991年 对MD4的改进  
具有4轮16步，输出位长128位。  
输入分组 512bit  
输出 128bit

## SHA系列 ##

SHA系列包括多个散列算法标准,其中, **SHA-1**是数字签名标准中要求使用的算法。  
SHA-0：正式地称作SHA，这个版本在发行后不久被指出存在弱点。  
SHA-1：NIST于1994年发布的,它与MD4和MD5散列算法非常相似,被认为是MD4和MD5的后继者。(160位)  
SHA-2：实际上分为SHA-224、 SHA-256、SHA-384和SHA512算法。

### SHA-1 ###

SHA-1接受任何有限长度的输入消息，并产生长度为**160比特**的Hash值(MD5仅仅生成128位的摘要)，因此**抗穷举攻击的能力更强**。SHA-1设计原理.与MD4相同，它有**5个**参与运算的**32位**寄存器字，消息分组和填充方式与MD5相同，主循环也同样是**4轮**，但每轮进行**20次**操作，非线性运算、移位和加法运算也与MD5类似，但非线性函数、加法常数和循环左移操作的设计有一些区别。

### SHA-2 ###

*  SHA-256：具有64轮单步，输出位长度为256位。
 *  SHA-384：实际上与SHA-512相同，除了输出被截断为383位。
 *  SHA-512：具有80个单步的轮数和512位的输出位长度。

# 消息认证 #

网络系统安全一般要考虑两个方面:  
一方面，加密保护传送的信息，使其可以抵抗**被动攻击**;  
另一方面，就是要能防止对手对系统进行**主动攻击**，如伪造、篡改信息等。**认证**是对抗主动攻击的主要手段，它对于开放的网络中的各种信息系统的安全性有重要作用。认证分为**实体认证**和**消息认证**。

在一个开放通信网络的环境中，信息面临的攻击包括**窃听、伪造、修改、插入、删除、否认**等。因此，需要提供用来**验证消息完整性**的一种机制或服务–**消息认证**。这种服务的主要功能包括：

*  确保收到的消息确实和发送的一样；
 *  确保消息的来源真实有效；

注：对称密码体制和公钥密码体制都可提供这种服务，但用于消息认证的最常见的密码技术是**基于哈希函数的消息认证码**。

## 消息认证的目的 ##

验证信息的来源是真实的，而不是冒充的，此为消息源认证。  
验证消息的完整性,即验证信息在传送或存储过程中是否被修改。

## 消息认证码 ##

消息认证码(MAC，**M**essages **A**uthentication **C**odes)，是与**密钥**相关的的**单向散列函数**，也称为消息鉴别码或是消息校验和。此时需要通信双方A和B共享一密钥K。  
设A欲发送给B的消息是M，A首先计算 M A C = C k ( M ) MAC=C\_k(M) MAC=Ck(M)，其中 C k ( ● ) C\_k(●) Ck(●)是密钥控制的公开函数(如哈希函数)，然后向B发送M||MAC，B收到后做与A相同的计算，求得一**新**MAC，并与收到的MAC做比较。  
**HMAC**由H.Krawezyk，M.Bellare，R.Canetti于1996年提出的一种基于Hash函数和密钥进行消息认证的方法，并于1997年作为RFC2104被公布，并在IPSec和其他网络协议（如SSL）中得以广泛应用，现在已经成为事实上的Internet安全标准。

## 认证码与检错码 ##

现代密码学中的**消息认证码**与通信学的**消息检错码**有密切的联系，并由其演变而来，但其根源和目的是不同的，采用的技术手段有**本质的差别**。

*  检错码是检测由于**通信的缺陷**而导致消息发生错误的方法。(客观环境造成的)
 *  认证码是用来检查由于**恶意或有目的**等方式修改消息的技术。(人为原因造成的)

# HMAC的Go实现 #

## crypto/hmac包 ##

func New(h func() hash.Hash, key []byte) hash.Hash

New函数返回一个采用hash.Hash作为底层hash接口、key作为密钥的HMAC算法的hash接口。

func Equal(mac1, mac2 []byte) bool

比较两个MAC是否相同，而不会泄露对比时间信息。（以规避时间侧信道攻击：指通过计算比较时花费的时间的长短来获取密码的信息，用于密码破解）

## hash包 ##

io.Writer

通过嵌入的匿名io.Writer接口的Write方法向hash中添加更多数据，永远不返回错误

Sum(b []byte) []byte

返回添加b到当前的hash值后的新切片，不会改变底层的hash状态

## crypto/sha1包 ##

func New() hash.Hash

返回一个新的使用SHA1校验的hash.Hash接口。

## 代码实现 ##

生成MAC  
1.使用hmac.New生成hash.Hash（这里使用的sha1，之后的数字签名文章会使用sha2）  
2.使用Hash接口的Write添加原消息  
3.使用hash.Sum获取MAC

func GenerateMAC(plainText,key []byte) []byte { 
    	hash := hmac.New(sha1.New,key)
    	hash.Write(plainText)
    	hashText := hash.Sum(nil)
    	return hashText
    }

验证MAC  
1.使用hmac.New生成hash.Hash  
2.使用Hash接口的Write添加原消息  
3.使用hash.Equal验证MAC

func VerifyMAC(plainText,key,hashText []byte) bool { 
    	hash := hmac.New(sha1.New,key)
    	hash.Write(plainText)
    	return hmac.Equal(hashText,hash.Sum(nil))
    }

全部代码

package main
    
    import (
    	"crypto/hmac"
    	"crypto/sha1"
    	"fmt"
    )
    
    // 生成消息认证码
    // plainText 明文
    // key 密钥
    // 返回 消息认证码
    func GenerateMAC(plainText,key []byte) []byte { 
    	hash := hmac.New(sha1.New,key)
    	hash.Write(plainText)
    	hashText := hash.Sum(nil)
    	return hashText
    }
    
    // 消息认证
    // plainText 明文
    // key 密钥
    // hashText 消息认证码
    // 返回 是否是原消息
    func VerifyMAC(plainText,key,hashText []byte) bool { 
    	hash := hmac.New(sha1.New,key)
    	hash.Write(plainText)
    	return hmac.Equal(hashText,hash.Sum(nil))
    }
    
    func main()  { 
    	plainText := []byte("消息")
    	key := []byte("私钥")
    	hashText := GenerateMAC(plainText,key)
    	ok := VerifyMAC(plainText,key,hashText)
    	if ok{ 
    		fmt.Printf("%s 是原消息\n",plainText)
    	}
    	fakeText := []byte("假消息")
    	ok = VerifyMAC(plainText,key,fakeText)
    	if !ok{ 
    		fmt.Printf("%s 是假消息\n",fakeText)
    	}
    }

## 截图 ##

![在这里插入图片描述][20210627175951470.PNG_pic_center]  
**已更新到：[gocrypto][]**

# 参考 #

《现代密码学教程 谷利泽 杨义先等》  
[Go标准库-crypto/hmac][Go_-crypto_hmac]  
[Go标准库-hash][Go_-hash]  
[Go-标准库-crypto/sha1][Go-_-crypto_sha1]

[20210627175951470.PNG_pic_center]: /images/20221005/5297ff92eb2f4bdfa9c541b939ebbd97.png
[gocrypto]: https://gitee.com/frankyu365/gocrypto
[Go_-crypto_hmac]: https://studygolang.com/static/pkgdoc/pkg/crypto_hmac.htm
[Go_-hash]: https://studygolang.com/static/pkgdoc/pkg/hash.htm
[Go-_-crypto_sha1]: https://studygolang.com/static/pkgdoc/pkg/crypto_sha1.htm