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如何生成 HMAC 消息认证码

2026-04-14 · 5 分钟阅读

什么是 HMAC

HMAC（Hash-based Message Authentication Code，基于哈希的消息认证码）是一种将密码学哈希函数与密钥结合使用的认证方式。与普通哈希不同，HMAC 需要一个共享密钥，只有知道密钥的人才能生成或验证 HMAC。HMAC 同时提供两个保证：消息完整性（数据未被修改）和消息真实性（数据确实来自持有密钥的人）。

/* HMAC formula */
HMAC(key, message) = Hash(
  (key XOR opad) ||
  Hash((key XOR ipad) || message)
)

/* Where:
   opad = 0x5c repeated
   ipad = 0x36 repeated
   || = concatenation */

HMAC 与普通哈希的核心区别

普通哈希（如 SHA256）是公开可计算的——任何人都能计算任意数据的哈希。这意味着攻击者可以修改数据后重新计算哈希来伪造完整性证明。HMAC 解决了这个问题：没有密钥就无法计算正确的 HMAC，即使攻击者知道数据和 HMAC 算法，也无法在不知道密钥的情况下伪造 HMAC。

在各编程语言中实现 HMAC-SHA256

// JavaScript (Node.js)
const crypto = require('crypto');

function generateHmac(secret, message) {
  return crypto
    .createHmac('sha256', secret)
    .update(message)
    .digest('hex');
}

const signature = generateHmac('my-secret-key', 'Hello World');
// Output: 'f59c9c0b1234567...' (64-char hex)

// Verify
function verifyHmac(secret, message, receivedHmac) {
  const expected = generateHmac(secret, message);
  // Use timingSafeEqual to prevent timing attacks!
  return crypto.timingSafeEqual(
    Buffer.from(expected, 'hex'),
    Buffer.from(receivedHmac, 'hex')
  );
}

# Python
import hmac, hashlib

def generate_hmac(secret: str, message: str) -> str:
    key = secret.encode('utf-8')
    msg = message.encode('utf-8')
    return hmac.new(key, msg, hashlib.sha256).hexdigest()

def verify_hmac(secret: str, message: str, received: str) -> bool:
    expected = generate_hmac(secret, message)
    # Use compare_digest to prevent timing attacks!
    return hmac.compare_digest(expected, received)

signature = generate_hmac('my-secret-key', 'Hello World')

HMAC 在 API 签名中的应用

API 签名是 HMAC 最常见的应用场景之一。以下是一个典型的 HMAC-based API 签名流程（参考 AWS Signature Version 4 的简化版）：

// API signing example
function signRequest(secretKey, method, path, body, timestamp) {
  // 1. Create string to sign
  const bodyHash = crypto.createHash('sha256')
    .update(body).digest('hex');

  const stringToSign = [
    method.toUpperCase(),
    path,
    timestamp,
    bodyHash
  ].join('\n');

  // 2. Generate HMAC signature
  const signature = crypto
    .createHmac('sha256', secretKey)
    .update(stringToSign)
    .digest('hex');

  return signature;
}

// Server verification
const expectedSig = signRequest(serverSecret, method, path, body, timestamp);
if (crypto.timingSafeEqual(Buffer.from(signature), Buffer.from(expectedSig))) {
  // Request is authentic
}

JWT 中的 HMAC-SHA256 (HS256)

JSON Web Token（JWT）的 HS256 算法就是 HMAC-SHA256。JWT 的结构是 header.payload.signature，其中 signature 是用密钥对 header.payload 进行 HMAC-SHA256 的结果（Base64URL 编码）。持有密钥的服务器可以验证 JWT 是否被篡改，客户端无法伪造有效的 JWT（除非知道密钥）。

// JWT HS256 signature (simplified)
const header  = Base64URL(JSON.stringify({ alg: "HS256", typ: "JWT" }));
const payload = Base64URL(JSON.stringify({ sub: "user123", exp: 1720000000 }));
const sigInput = `${header}.${payload}`;

const signature = Base64URL(
  crypto.createHmac('sha256', jwtSecret).update(sigInput).digest()
);

const jwt = `${header}.${payload}.${signature}`;

HMAC vs 数字签名（RSA/ECDSA）

HMAC 和数字签名（如 RSA-SHA256、ECDSA）都能保证消息真实性，但有一个关键区别：HMAC 使用对称密钥（相同密钥用于生成和验证，通信双方共享同一密钥），因此只适合双方互信的场景。数字签名使用非对称密钥（私钥签名，公钥验证），任何人都可以用公钥验证签名，但只有私钥持有者能生成签名，适合公开验证的场景（如软件包签名、证书）。

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