PKI - 消息摘要算法 - MD、SHA、MAC - 校驗資料完整性

1. MD5
- 1.1 JDK實作
- 1.2 Bouncy Castle實作
- 1.3 Commons Codec
2. SHA
- 2.1 JDK實作
- 2.2 Bouncy Castle實作
- 2.3 Commons Codec
3. MAC
- 3.1 JDK
- 3.2 Bouncy Castle
4. 其他消息摘要算法
5. 循環備援校驗算法 -- CRC算法
6. 擴充
- 6.1 “挑戰/響應”身份認證
參考

消息摘要算法又稱雜湊演算法，其核心在于散列函數的單向性。即通過散列函數可獲得對應的散列值，但不可通過該散列值反推其原始資訊。這是消息摘要算法的安全性的根本所在。

消息摘要算法主要分為三大類：MD（

Message Digest

，消息摘要算法）、SHA（

Secure Hash Algorithm

，安全雜湊演算法）和MAC（

Message Authentication Code

，消息認證碼算法）。

MD系列算法包括MD2、MD4和

MD5

共3種算法；

SHA算法主要包括其代表算法

SHA1

和SHA1算法的變種SHA2系列算法（SHA224、

SHA256

、SHA384、

SHA512

）以及SHA3(SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512等)；SHA-2的算法和SHA1是一樣的，差別在于其生成的摘要的長度；SHA-3是與SHA-2算法不同的，可替換的加密雜湊演算法。

MAC算法綜合了上述兩種算法，主要包括

HmacMD5

、

HmacSHA1

、

HmacSHA256

、HmacSHA384和

HmacSHA512

算法。

盡管上述内容列舉了各種消息摘要算法，但仍不能滿足應用需要。基于這些消息摘要算法，又衍生出了

RipeMD

系列（包含RipeMD128、RipeMD160、RipeMD256、RipeMD320）、Tiger、GOST3411和Whirlpool算法。

1. MD5

1.1 JDK實作

java.security 包提供 java.security.MessageDigest 類進行消息摘要處理，輸出位元組數組。

消息摘要的一個特點是每次輸出的摘要值都相同，下面的Test-Case對此進行了驗證。

public byte[] md5Jdk8(String data) throws Exception {
    return MessageDigest.getInstance("MD5").digest(data.getBytes("UTF-8"));
}

@Test
public void md5Jdk8Test() throws Exception {
    final byte[] md5_1 = md5Jdk8("我是阿湯哥");
    final byte[] md5_2 = md5Jdk8("我是阿湯哥");
    assertEquals(md5_1, md5_2);
}

1.2 Bouncy Castle實作

要使用BC實作需要添加provider，

Security.addProvider(new BouncyCastleProvider())

，同時可以将位元組數組轉換為16進制編碼的字元串進行輸出。

public String md5Bc(String data) throws Exception {
    // 加入Bouncy Castle Provider支援
    Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

    final byte[] md5s = MessageDigest.getInstance("MD5").digest(data.getBytes("UTF-8"));
    return new String(Hex.encode(md5s), "UTF-8");
}

@Test
public void md5BcTest() throws Exception {
    final String md5_1 = md5Bc("我是阿湯哥");
    final String md5_2 = md5Bc("我是阿湯哥");
    System.out.println("MD5 first  : " + md5_1);
    System.out.println("MD5 second : " + md5_2);
    assertEquals(md5_1, md5_2);
}

1.3 Commons Codec

org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils

，雖然

DigestUtils

隻是對

MessageDigist

的簡單封裝，但為實際開發提供了不少便利。

public String md5Codec(String data) throws Exception {
    return DigestUtils.md5Hex(data);
}

@Test
public void md5CodecTest() throws Exception {
    final String md5_1 = md5Codec("我是阿湯哥");
    final String md5_2 = md5Codec("我是阿湯哥");
    System.out.println("MD5 first  : " + md5_1);
    System.out.println("MD5 second : " + md5_2);
    assertEquals(md5_1, md5_2);
}

輸出結果

MD5 first  : 15e13fd90ab9822cf0ea4e1d29301535
MD5 second : 15e13fd90ab9822cf0ea4e1d29301535

2. SHA

SHA（Secure Hash Algorithm，安全雜湊演算法）是消息摘要算法的一種，被廣泛認可為MD5算法的繼任者。它是由美國國家安全局（NSA，National Security Agency）設計，經美國國家标準與技術研究院（NIST，National Institute of Standards and Technology）釋出的一系列密碼散列函數。SHA算法家族目前共有SHA1、SHA-2（SHA224、SHA256、SHA384、SHA512）、SHA3(SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512等)。

SHA算法的實作方式與MD5相似，隻需要在參數指定對應的算法名稱即可。SHA為SHA-1的縮寫。

2.1 JDK實作

public byte[] sha256jdk(String data) throws Exception {
    return MessageDigest.getInstance("SHA-256").digest(data.getBytes("UTF-8"));
}

@Test
public void sha256jdkTest() throws Exception {
    final byte[] sha256_1 = sha256jdk("我是阿湯哥");
    final byte[] sha256_2 = sha256jdk("我是阿湯哥");
    assertEquals(sha256_1, sha256_2);
}

2.2 Bouncy Castle實作

public String sha256Bc(String data) throws Exception {
    Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());

    final byte[] digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256").digest(data.getBytes("UTF-8"));
    return new String(Hex.encode(digest), "UTF-8");
}

@Test
public void sha256BcTest() throws Exception {
    final String sha256_1 = sha256bc("我是阿湯哥");
    final String sha256_2 = sha256bc("我是阿湯哥");
    System.out.println("SHA256 first  : " + sha256_1);
    System.out.println("SHA256 second : " + sha256_2);
    assertEquals(sha256_1, sha256_2);
}

2.3 Commons Codec

public String sha256Codec(String data) throws Exception {
    return DigestUtils.sha256Hex(data);
}

@Test
public void sha256CodecTest() throws Exception {
    final String sha256_1 = sha256Codec("我是阿湯哥");
    final String sha256_2 = sha256Codec("我是阿湯哥");
    System.out.println("SHA256 first  : " + sha256_1);
    System.out.println("SHA256 second : " + sha256_2);
    assertEquals(sha256_1, sha256_2);
}

執行結果

SHA256 first  : 7a78507d8bf0387f52683974184252b8b41cedd6ca2373df8dec6e6e2ca219e9
SHA256 second : 7a78507d8bf0387f52683974184252b8b41cedd6ca2373df8dec6e6e2ca219e9

3. MAC

MAC（Message Authentication Code，消息認證碼算法）是含有密鑰散列函數算法，相容了MD和SHA算法的特性，并在此基礎上加入了密鑰。因為MAC算法融合了密鑰散列函數（keyed-Hash），通常我們也把MAC稱為HMAC（keyed-Hash Message Authentication Code）。MAC算法和HMAC算法基本上可等同對待。

MAC算法主要集合了MD和SHA兩大系列消息摘要算法。MD系列算法有HmacMD2、HmacMD4和HmacMD5三種算法；

SHA系列算法有HmacSHA1、HmacSHA224、HmacSHA256、HmacSHA384和HmacSHA512五種算法。

經MAC算法得到的摘要值也可以使用十六進制編碼表示，其摘要值長度與參與實作的算法摘要值長度相同。例如，HmacSHA1算法得到的摘要長度就是SHA1算法得到的摘要長度，都是160位二進制數，換算成十六進制編碼為40位。

MAC與MD和SHA的主要差別在于加入了密鑰，密鑰是雙方事先約定的，第三方不可能知道。

3.1 JDK

JDK7支援的算法包括HmacMD5、HmacSHA1、HmacSHA256、HmacSHA384和HmacSHA512。

生成密鑰

public byte[] generateKey() throws NoSuchAlgorithmException {
    // 初始化 key generator
    final KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
    // 生成密鑰
    final SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
    // 擷取密鑰
    return secretKey.getEncoded();
}

生成消息摘要

public byte[] getMessageDigist(byte[] key, byte[] message) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
    // 還原密鑰
    final SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, "HmacMD5");
    // 執行個體化 Mac
    final Mac mac = Mac.getInstance(secretKeySpec.getAlgorithm());
    // 初始化 Mac
    mac.init(secretKeySpec);
    // 生成消息摘要
    return mac.doFinal(message);
}

3.2 Bouncy Castle

BouncyCastle作為補充，提供了HmacMD2、HmacMD4和HmacSHA224三種算法支援。

此外BouncyCastle還支援消息摘要的十六進制編碼。

public byte[] generateKey() throws NoSuchAlgorithmException {
    // 添加BouncyCastleProvider支援
    Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    // 初始化 key generator
    final KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("HmacMD4");
    // 生成密鑰
    final SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
    // 擷取密鑰
    return secretKey.getEncoded();
}

public byte[] getMessageDigist(byte[] key, byte[] message) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
    // 添加BouncyCastleProvider支援
    Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
    // 還原密鑰
    final SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, "HmacMD4");
    // 執行個體化 Mac
    final Mac mac = Mac.getInstance(secretKeySpec.getAlgorithm());
    // 初始化 Mac
    mac.init(secretKeySpec);
    // 生成消息摘要
    return mac.doFinal(message);
}

@Test
public void testMac() throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException, InvalidKeyException {
    // 擷取密鑰
    final byte[] secretKey = generateKey();
    // 擷取消息摘要
    final byte[] md_1 = getMessageDigist(secretKey, "我是阿湯哥".getBytes("UTF-8"));
    final byte[] md_2 = getMessageDigist(secretKey, "我是阿湯哥".getBytes("UTF-8"));

    System.out.println(new String(Hex.encode(md_1), "UTF-8"));

    assertArrayEquals(md_1, md_2);
}

執行結果

9fd5f598eca3f4422c88a622b81e5e82

4. 其他消息摘要算法

除了MD、SHA和MAC這三大主流消息摘要算法外，還有一些我們不了解的消息摘要算法，包括RipeMD列、Tiger、Whirlpool和GOST3411算法。

RipeMD系列算法和MAC系列算法相結合，又産生了HmacRipeMD128和HmacRipeMD160兩種算法。

Bouncy Castle對RipeMD系列算法和HmacRipeMD系列算法進行了實作。

5. 循環備援校驗算法 – CRC算法

CRC（Cyclic Redundancy Check，循環備援校驗）是可以根據資料産生簡短固定位數的一種散列函數，主要用來檢測或校驗資料傳輸/儲存後出現的錯誤。生成的散列值在傳輸或儲存之前計算出來并且附加到資料後面。在使用資料之前，對資料的完整性做校驗。一般來說，循環備援校驗的值都是32位的二進制數，以8位十六進制字元串形式表示。它是一類重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強，在通信領域廣泛地用于實作差錯控制。

消息摘要算法與CRC算法同屬散列函數，并且CRC算法很可能就是消息摘要算法的前身。

在JDK中CRC算法是由java.util.zip.CRC32類實作的。

6. 擴充

6.1 “挑戰/響應”身份認證

HMAC的一個典型應用是用在“挑戰/響應”（Challenge/Response）身份認證中，認證流程如下：

（1）先由用戶端向伺服器發出一個驗證請求。

（2）伺服器接到此請求後生成一個随機數并通過網絡傳輸給用戶端（此為挑戰）。

（3）用戶端将收到的随機數提供給ePass，由ePass使用該随機數與存儲在ePass中的密鑰進行

HMAC-MD5

運算并得到一個結果作為認證證據傳給伺服器（此為響應）。

（4）與此同時，伺服器也使用該随機數與存儲在伺服器資料庫中的該客戶密鑰進行

HMAC-MD5

運算，如果伺服器的運算結果與用戶端傳回的響應結果相同，則認為用戶端是一個合法使用者。

參考

hmac

梁棟. Java加密與解密的藝術（第2版）. 機械工業出版社. Kindle 版本.

PKI - 消息摘要算法 - MD、SHA、MAC - 校驗資料完整性1. MD52. SHA3. MAC4. 其他消息摘要算法5. 循環備援校驗算法 – CRC算法6. 擴充參考

PKI - 消息摘要算法 - MD、SHA、MAC - 校驗資料完整性

1. MD5

1.1 JDK實作

1.2 Bouncy Castle實作

1.3 Commons Codec

2. SHA

2.1 JDK實作

2.2 Bouncy Castle實作

2.3 Commons Codec

3. MAC

3.1 JDK

3.2 Bouncy Castle

4. 其他消息摘要算法

5. 循環備援校驗算法 – CRC算法

6. 擴充

6.1 “挑戰/響應”身份認證

參考

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