這里的MAC，并不是計算機(jī)中的MAC地址，而是消息驗證碼（Message Authentication Code，MAC)。在寫給開發(fā)人員的實用密碼學(xué)-Hash算法中講到的Hash算法能夠進(jìn)行完整性校驗，但卻不能避免消息被篡改，而MAC正是為了避免消息被篡改而設(shè)計。
為什么需要MAC
在寫給開發(fā)人員的實用密碼學(xué)-Hash算法這篇文章中，談到密碼學(xué)哈希算法用途之一就是保證文檔/消息完整性。對于文件下載來說，通過計算下載下來的文件的Hash值，和網(wǎng)站提供的Hash值進(jìn)行對比，就能確定下載下來的文件是否和網(wǎng)站上的原始文件一致。這對于一些固定的使用場景有效（網(wǎng)站提供下載的文件比較固定），如果是任意消息（文檔）的發(fā)送，怎么提供原始消息（文檔）的Hash值呢？一個比較容易想到的方法是將Hash值附在消息的后面，一起發(fā)送給接收方，如下圖所示：
Hash值隨消息一起發(fā)送
接收方校驗Hash值是否和接收到的Hash值相同，看起來沒毛病。但如果考慮到如下的場景呢？
中間人攻擊
攻擊者對消息進(jìn)行攔截，修改消息，然后計算該消息的摘要值（摘要算法是公開的），附在消息后面發(fā)送給接收方。接收方收到消息后，對消息計算摘要值，然后與接收到的摘要值進(jìn)行比較，并沒有發(fā)現(xiàn)有異常，而實際上接收到的消息已經(jīng)被篡改。
通過對消息加密是一種解決方法。但在很多情況下，傳遞的消息沒有必要加密，只要確保消息是完整且沒有被篡改即可，原因可能如下：
●接口的數(shù)據(jù)并不重要，對隱私性要求不高。
●加密和解密過程很消耗性能。
另一種解決方法是MAC算法。MAC是由給定密鑰和給定消息計算得出的驗證碼：
auth_code=MAC(key,msg)
通信雙方維護(hù)同一個密鑰，只有擁有密鑰的通信雙方才能生成和驗證消息驗證碼。通常，它的行為類似于哈希函數(shù)：
●消息或密鑰中的微小變化導(dǎo)致MAC值完全不同。
●更改密鑰或消息并獲得相同的MAC值實際上是不可行的。
●MAC驗證碼像哈希一樣是不可逆的：無法從MAC代碼中恢復(fù)原始消息或密鑰。
MAC算法也稱為“鍵控哈希函數(shù)”，因為它們的行為類似于帶有密鑰的哈希函數(shù)。
MAC值一般和原始消息一起傳輸，原始消息可以選擇加密，也可以選擇不加密，通信雙方會以相同的方式生成MAC值，然后進(jìn)行比較，如下圖所示：
MAC處理流程
MAC算法的種類
現(xiàn)代密碼學(xué)中存在許多MAC算法。最受歡迎的是基于哈希算法，例如HMAC（基于哈希的MAC，例如HMAC-SHA256）和KMAC（基于Keccak的MAC）。還有的則基于對稱加密，例如CMAC（基于加密的MAC），GMAC（Galois MAC）和Poly1305（Bernstein一次性身份驗證器）。其他MAC算法包括UMAC（基于通用哈希），VMAC（基于高性能分組加密的MAC）和SipHash（簡單、快速、安全的MAC）。
作為開發(fā)人員，我們并不需要了解這么多MAC算法，重點了解HMAC（Hash-based Message Authentication Code）即可，它在SSL/TLS通信中得到廣泛使用。
HMAC算法使用Hash算法作為加密基元，HMAC結(jié)合Hash算法有多種變種，比如HMAC-SHA-1、HMAC-SHA256、HMAC-SHA512，國密標(biāo)準(zhǔn)中則使用SM3 Hash算法。大家不要誤以為HMAC算法就是Hash算法加上一個密鑰，HMAC算法只是基于Hash算法的，內(nèi)部的實現(xiàn)還是相當(dāng)復(fù)雜的，我們通常并不需要了解，現(xiàn)有的加密/解密庫通常已經(jīng)實現(xiàn)了HMAC算法。
MAC算法實例
借助OpenSSL命令行工具，計算HMAC非常容易：
$echo-n abc|openssl dgst-sha256-hmac Passw0rd
(stdin)=c12a3b777eaebdc2f98e79418f605f9b0b23064161e83aa19e3cf37c005181f3
國密標(biāo)準(zhǔn)中使用SM3作為加密基元，也可以通過命令行計算：
$echo-n abc|gmssl dgst-sm3-hmac Passw0rd
(stdin)=db1ab0dda0aafbdcd53cbda95b7ecdee4a50586f92696616ab052aceea106212
MAC算法的用途
MAC算法的主要用途：
證明消息沒有被篡改，這和Hash算法類似。
消息是正確的發(fā)送者發(fā)送的，也就是說消息是經(jīng)過驗證的。
此外MAC算法還可以使用在如下場景。
基于HMAC的密鑰派生(HMAC-based key derivation，HKDF)
密鑰派生功能（KDF）是將可變長度密碼轉(zhuǎn)換為固定長度密鑰（比特序列）的功能：
function(password)->key
一種非常簡單的KDF函數(shù)，我們可以使用SHA256：僅對密碼進(jìn)行哈希處理。但不要這樣做，因為它是不安全的，簡單的哈希很容易受到字典攻擊。
作為更復(fù)雜的KDF函數(shù)，我們可以通過使用一些稱為“鹽”的隨機(jī)值計算HMAC（salt，msg，SHA256）來生成密碼，該隨機(jī)值與導(dǎo)出的密鑰一起存儲，以后用于再次從密碼中導(dǎo)出相同的密鑰。
基于MAC的偽隨機(jī)發(fā)生器
我們可以從“鹽”（常數(shù)或當(dāng)前日期和時間或其他隨機(jī)性）和種子（上一次生成的隨機(jī)數(shù)，例如0）開始，計算next_seed：
next_seed=MAC(salt,seed)
在每次計算上述公式之后，下一個偽隨機(jī)數(shù)將“隨機(jī)更改”，我們可以使用它來生成特定范圍內(nèi)的下一個隨機(jī)數(shù)。
小結(jié)
在本文中我們介紹了消息驗證碼，消息驗證碼彌補(bǔ)了單一的Hash算法的不足，確保消息沒有被篡改。接下來的部分介紹了MAC算法的種類和用途。在下一篇文章中，我們將介紹密碼學(xué)中的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器！
