Hash函数(消息认证)

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应用
由于加密软件慢、硬件费用高、加密算法专利保护 和出口限制等因素, 人们倾向于不使用带有加密的认 证方法,愿意使用方法(3)。 数据源认证方案不能提供数据源的不可拒绝性，因 为任何一方都可以使用共享密钥创建一个消息及其 认证。如果需要解决这种潜在的争执，可以使用可 信第三方或公钥技术。 使用MAC能够确定数据是在过去某个时间由特定一 方生成的，但是不能提供唯一性和时间上的保证， 也不能发现消息是否重用或重发。为了解决这些问 题，必须使用随时间变化的参数，例如时间戳、序 列号和随机数等。
击者也能计算压缩函数的输出。 (2) 即使IV是随机的和秘密的，攻击者也能找到Hash函数的碰 撞。
在目前的计算水平下，使用MD5和SHA-1等作为HMAC 算法所嵌入的Hash函数，HMAC的安全性是可以保证的。
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3 应用
数据完整性 数据完整性是指数据在生成、传送或存储过程中没有 被非法篡改. 使用Hash函数可以保证数据的完整性 使用MAC
MD5-MAC软件实现比较容易，其运算速度与MD5 大体相近 .
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HMAC算法
消息认证码HMAC（keyed-hashing for message authentication code）是Bellare等人于1996年提出， 1997年作为RFC 2104发表，成为事实上的Internet 标准，包括IPSec协议在内的一些安全协议都使用 了HMAC算法。 HMAC算法利用已有的Hash函数，关键问题是如何 使用密钥。使用不同的Hash函数，就可以得到不同 的HMAC。选用MD5时的HMAC记为HMAC-MD5， 选用SHA-1时的HMAC记为HMAC-SHA1。
发送方 A x hK’ x1 || EK C DK x 接收方B hK’
比较
x1
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3
应用
实现数据源认证 数据源认证也称为消息认证,它是要求证实一个实体在 过去某个时刻建立的数据源.数据源认证也包括数据完 整性.提供数据源认证的方法有:
(1) 使用消息认证码MAC; (2) 对附加上散列值的消息进行加密.
MD5-MAC算法使用96字节的常数
T0 97 ef 45ac 290f 43cd 457e1 b 551c 801134, T1 b177ce 962e 728e 7 c 5 f 5 aab 0 a 3643be 18, T2 9 d 21b 421bc 87 b 94 da 29 d 27 bdc 75 bd 7 c 3. U i Ti || Ti 1 || Ti 2 || Ti || Ti 1 || Ti 2 (0 i 2).
把K0，K1分成4个32位的子串Kj[i]（j=0,1, i=0,1,2,3） 对MD5进行修改：用K0代替MD5的4个32位寄存器ABCD. 把K1[i]与MD5第i +1遍中每个常数232sin(j)进行模232加法. 将512位的分组 K 2 || K 2 T0 || K 2 T1 || K 2 T2 链接到消息x右边，再按MD5的要求进行填充. 将上一步的结果输入到修改后的MD5中，取其输出的前 一半（64位）作为消息x的消息认证码MD5-MAC (x).
发送方 A x hK x1 || x C x1 接收方B hK
比较 11
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使用Hash函数和加密
应用
设A与B共享分组密码的密钥K,EK是加密算法,h是公开的 Hash函数. 用户A计算C=EK(x||h(x)),并将数据C发送给B.B利 用密钥K进行解密,得到x’和h(x)，然后计算h(x’),并与接 收到的h(x)相比较.如果h(x’)=h(x),则B确定消息x’是真实 的.由于这里对h(x)进行了加密,所以对Hash函数h的要求可以 适当降低.
其中下标加法运算是模3相加. 如果密钥K的长度小于128位，则通过多次自行链接，最 后截取左边128位作为以下算法中使用的密钥K。
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1 消息认证码
将密钥K扩展成3个16字节的子密钥K0，K1，K2，其中
K i MD5( K || U i || K ) (0 i 2). 其中MD5表示不进行填充的MD5.
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HMAC算法
HMAC算法描述 设HMAC使用的Hash函数为h，每次处理的输入分 组长度为b比特（使用MD5与SHA-1时，b=512）， 最后的输出长度为l比特（使用MD5时，l=128；使 用SHA-1时，l=160）。如果HMAC的输入消息为x， 则x=x1 x2…xL，其中每一个分组xi（1≤i≤L）的长度 为b比特。 令HMAC使用的密钥为K，密钥K可以是任意的、 长度不超过b比特的比特串（HMAC算法推荐密钥 最小长度为l比特）。当密钥K的长度超过b比特时， 使用Hash函数h对K进行压缩，把K作为h的输入， 并将输出的l比特作为密钥K。
希望不对广告内容加密,但又希望其它公司不能修改广告内容或 冒充公司A发布同样的广告,或者当广告内容被修改后能够发现. 如果使用不带密钥的Hash函数,由于其它公司可能在修改广告 内容后产生新的散列值,从而使A无法确认原广告是否被修改.
设计MAC算法的要求 在不知道密钥的情况下，难以找到两个不同的消息具有相 同的输出。
设用户A将消息x发送给接收者B，A与B共享秘密的MAC密 钥K，hK是MAC。用户A计算x的MAC hK(x)，将数据 C=x||hK(x)发送给B。B通过其它方法确定用户A的身份，分 开接收到的数据x’，使用共享密钥K计算hK(x’)，并与接 收到的hK(x)相比较。如果hK(x’)=hK(x)，则B确定消息x’ 是来自于具有密钥K的用户A，在传输过程中未被篡改。
发送方 A x h x1 || EK C DK x 接收方B h
比较
x1
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3
加密使用MAC和加密
应用
设A与B共享分组密码的密钥K和MAC的密钥K’,EK是加密 算法,hK’是MAC。用户A计算C=EK(x|| hK’(x)),并将数据C发 送给B. B利用密钥K进行解密, 得到x’和hK’(x),然后计算 hK’(x’), 并与接收到的hK’(x)相比较. 如果hK’(x’)=hK’(x), 则B确定消息x’是真实的.该技术的优点是即使加密算法被 攻破, MAC仍然能提供完整性保护作用. 其缺点是需要管理 K和K’两个密钥.
哈希函数——消息认证
认证（authentication）是防止网络系统遭受主动攻击 的重要技术 认证的主要目的有两个 第一，验证消息的发送者是真的，而不是冒充的， 称为实体认证，包括信源、信宿等的认证和识别。 第二，验证信息的完整性，即验证数据在传送或存 储过程中未被篡改、重放或延迟，称为消息认证。
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HMAC的安全性
HMAC算法
建立在嵌入Hash函数基础上的所有MAC，其安全性在某种 程度上都依赖于该Hash函数的强度。对于HMAC，可以给出 HMAC的强度与所嵌入Hash函数强度之间的关系。 根据伪造者在给定时间内伪造成功和用相同密钥产生给定数 量的消息-MAC对的概率，可以用于描述MAC的安全性。 Bellare等人（1996年）已经证明，如果攻击者已知若干（时 间、消息-MAC）对，则成功攻击HMAC的概率等价于对所 嵌入Hash函数的下列攻击之一： (1)即使对于攻击者而言，IV是随机的、秘密的和未知的，攻
设用户A将消息x发送给接收者B,A与B共享密钥K,则用户 A向B发送以下数据可实现数据源的认证.
(1) EK(x||h(x)): 提供保密(仅双方共享K)和认证(加密保护散 列值); (2) x||EK(h(x)): 提供认证（加密保护散列值）; (3) x||h(x||S)：提供认证（仅双方共享随机数S）； (4)EK(x||h(x||S))：提供保密和认证（仅双方共享K、S）。
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1 消息认证码
基于分组密码CBC工作模式构造MAC 基于分组密码CBC工作模式构造MAC算法已经成为 ISO/IEC 9797 标准，它使用密文链接和双密钥三重 加密技术。 设EK表示以K为密钥的加密算法，设K’是一个与K 不同的密钥，消息分组长度为n。 首先把消息x分成L个n位块 x=x1 x2…xL， 计算： H1 EK ( x1 ),
H i EK ( H i 1 xi ) (2 i L),
1 hK ( x) EK ( EK , ( H L )).
hK是一个n位MAC. 记为CBC-MAC.
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1 消息认证码
基于Hash函数构造MAC 设h是一个（不带密钥）Hash函数，K是密钥，x是 消息，则定义消息认证码hK如下： hK ( x) h( K || x). 基于MD5算法直接构造消息认证码MD5-MAC
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1 消息认证码
带密钥的Hash函数称为消息认证码(MAC：message authentication code). 消息认证码是实现消息认证的重要工具. MAC有两个不同的输入，一个是消息x，另一个是密钥K . MAC产生定长的输出. 实例: 某一个大公司A想给它的客户发布一个新产品的广告,A
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HMAC算法的流 程图
HMAC算法
K
ipad
Si
x1
x2
…
xL
K
opad
Hash函数h
So
h(Si|| x)
Hash函数h
HMAC(x)
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HMAC算法
HMAC算法具体执行步骤
(1)如果密钥K的长度小于b 比特，则在其右边填充一些 “0”，使其成为长度为b比特的比特串，仍记为K。 (2)计算Si=Kipad，其中ipad是HMAC算法中规定的一个 长度为b比特的比特模式串，它等于将00110110重复b/8次 后得到的比特串。 (3)把HMAC的输入消息x=x1 x2…xL附加在Si的右端，得到 Si||x =Si||x1x2…xL，将该比特串作为Hash函数h的输入，得 到l比特的输出h(Si||x)。 (4)计算So=Kopad，其中opad是HMAC算法中规定的另 一个长度为b比特的比特模式串，它等于将01011010重复 b/8次后得到的比特串。 (5)将第(3)步得到的h(Si||x)附加在So的右端，并以该比特串 作为Hash函数h的输入，得到l比特的输出。 (6) 将第(5) 步的输出作为HMAC算法的最终输出结果，即 消息x的消息认证码HMAC(x)。