Hash 与消息认证码（MAC）详解

1. 引言

密码学（Cryptography）是通过一系列算法和数学规则来保障信息与通信安全的技术。它能有效防止第三方窃取或篡改私密信息。现代密码学中使用了多种基础构件，包括哈希（Hash）、消息认证码（MAC）以及数字签名等。

在本文中，我们将重点介绍 哈希函数 与 MAC 函数 的工作原理、区别以及它们在实际中的应用。我们还将介绍 HMAC，它是将哈希与 MAC 结合的一种常用算法。目标是帮助你更好地理解这些基础构件在安全系统中的作用。

2. 哈希 vs. MAC：核心区别

2.1 技术层面的对比

• 哈希函数 是一种 单向加密过程，用于将任意长度的原始明文转换为固定长度的摘要（digest），也叫哈希值。它是一个 确定性函数，相同输入始终生成相同输出。

  • 常见哈希算法包括：SHA-1、SHA-2、SHA-3、SHA-256、MD5 等。
  • 输入：单个消息（message），无密钥。
  • 输出：固定长度的哈希值。

  

• MAC（消息认证码） 是一种基于 对称密钥 的加密过程，通常使用哈希函数作为其一部分。它不仅验证数据完整性，还能验证消息来源。

  • 常见 MAC 算法包括：CBC-MAC、UMAC、HMAC 等。
  • 输入：消息 + 共享密钥（shared key）。
  • 输出：标签（tag），长度通常与输入有关。

  

2.2 安全目标对比

功能	哈希（Hash）	MAC
完整性（Integrity）	✅	✅
机密性（Confidentiality）	❌	❌
身份验证（Authentication）	❌	✅

• 哈希用于验证数据是否被篡改，但无法验证消息来源。
• MAC 不仅验证完整性，还能验证发送者身份，前提是双方共享密钥。

3. HMAC：哈希与 MAC 的结合体

HMAC（Hash-based Message Authentication Code） 是一种结合了哈希函数与对称密钥的认证机制。

3.1 工作原理

HMAC 的核心思想是：

1. 从原始密钥中派生出两个子密钥 K1 和 K2。
2. 第一轮：使用 K1 对原始消息进行哈希运算，生成中间哈希值 HMAC1。
3. 第二轮：使用 K2 对 HMAC1 进行哈希运算，生成最终的 HMAC 值。

接收方使用相同的密钥和流程重新计算 HMAC，并与收到的值进行比对，以确认消息完整性和来源真实性。

3.2 常见 HMAC 算法

• HMAC-MD5
• HMAC-SHA1
• HMAC-SHA256
• HMAC-SHA512

4. 应用场景对比

4.1 哈希函数的典型用途

• ✅ 安全存储密码：由于哈希不可逆，即使数据库泄露也难以还原原始密码。
• ✅ 文件校验：下载软件时通过哈希值验证文件是否被篡改。
• ✅ 数字签名：签名前通常先对消息哈希处理，提升效率并确保安全性。

⚠️ 注意：哈希函数需具备强抗碰撞能力，否则可能被攻击者构造出两个不同输入生成相同哈希值（碰撞攻击）。

4.2 MAC 的典型用途

• ✅ 金融加密：如银行系统中用于创建账户、验证交易。
• ✅ 电子资金转账（EFT）：确保交易信息未被篡改。
• ✅ AEAD 加密模式：MAC 通常与加密算法结合使用，实现认证加密（Authenticated Encryption）。

4.3 哈希 vs. MAC 对比总结

特性	哈希	MAC
输入数量	1（消息）	2（消息 + 密钥）
输出名称	哈希 / 摘要	MAC / 标签（Tag）
输出长度	固定	通常与输入有关
安全目标	完整性	完整性 + 身份认证
是否使用密钥	❌	✅（对称密钥）
典型算法	SHA-256、MD5	HMAC、CBC-MAC
应用领域	密码存储、文件校验	金融通信、认证加密

5. 总结

本文介绍了密码学中的两个基础构件：哈希函数 和 消息认证码（MAC），并重点分析了它们的核心区别与应用场景。我们还介绍了 HMAC，它是将哈希与 MAC 结合的一种安全机制。

在实际开发中，选择使用哈希还是 MAC，取决于你是否需要验证消息来源。如果只需要确保数据未被篡改，使用哈希即可；如果还需要验证发送者身份，则应使用 MAC 或 HMAC。

掌握这些基础概念，对于构建安全可靠的系统至关重要。希望本文能帮助你更好地理解和应用这些密码学工具。