消息认证码：守护数据完整性的 “密码卫士”——HMAC、CMAC、GMAC 深度解析

HMAC、CMAC、GMAC深度解析

原创已于 2025-09-07 17:12:34 修改 · 1.1k 阅读

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#HMAC #CMAC #GMAC #分组密码 #密钥扩展 #大数据 #5G

于 2025-09-07 16:59:14 首次发布

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在数字世界中，我们每天都会传输大量数据 —— 从手机支付的交易信息到云端存储的工作文件。这些数据在传输过程中可能被篡改、伪造，如何确保数据 “未被动手脚” 且 “确实来自可信方”？消息认证码（Message Authentication Code，简称 MAC）就是解决这一问题的核心技术。本文将带你认识 MAC 家族的三大主流成员：HMAC、CMAC、GMAC，用通俗语言 + 直观图表拆解它们的原理与应用。

一、先搞懂：什么是消息认证码（MAC）？

简单来说，MAC 是一种 “带密钥的哈希函数”—— 它需要两个输入：“原始消息” 和 “共享密钥”，通过特定算法计算出一段固定长度的 “认证码”。接收方拿到消息后，用相同的密钥和算法重新计算认证码，若与发送方传来的认证码一致，就说明消息 “完整且来自可信方”。

MAC 的核心作用（2 大能力）

数据完整性校验：防止消息被篡改（比如将 “转账 100 元” 改成 “转账 10000 元”）；
数据源认证：确认消息来自持有共享密钥的合法发送方（防止伪造身份发送假消息）。

MAC 的基本工作流程（流程图）

注意：MAC 与哈希函数（如 MD5、SHA-256）的最大区别是需要密钥—— 哈希函数是 “无密钥的单向计算”，只能校验完整性，无法确认数据源；而 MAC 通过 “共享密钥” 实现了 “完整性 + 数据源双认证”。

二、MAC 家族三巨头：HMAC、CMAC、GMAC 详解

MAC 算法的核心差异在于 “底层依赖的技术”——HMAC 基于哈希函数，CMAC 基于分组密码，GMAC 基于流密码模式，三者各有特点，适用于不同场景。

1. HMAC：基于哈希函数的 “兼容性王者”

HMAC（Hash-based MAC，基于哈希的消息认证码）是应用最广泛的 MAC 算法，它将 “哈希函数” 与 “密钥” 结合，既保留了哈希函数的便捷性，又增加了密钥的安全性。

（1）HMAC 的原理：“双层哈希 + 密钥嵌套”

HMAC 的核心思路是 “用密钥对消息进行两次哈希处理”，避免直接将密钥拼接在消息前 / 后导致的安全漏洞。以基于 SHA-256 的 HMAC（简称 HMAC-SHA256）为例，步骤如下：

简单理解：HMAC 先将密钥与 “内层常量” 结合后哈希消息，再将密钥与 “外层常量” 结合后哈希第一次的结果，最终得到认证码。这种双层结构能抵御 “长度扩展攻击”（一种针对哈希函数的常见攻击手段）。

（2）HMAC 的特点

优势：

兼容性强：基于通用哈希函数（SHA-1、SHA-2、SHA-3），几乎所有编程语言 / 系统都内置支持；
无需依赖对称密码算法，适合仅部署了哈希库的场景；
安全性高：只要底层哈希函数安全（如 SHA-256、SHA-3），HMAC 就能抵御主流攻击。

劣势：

速度较慢：哈希函数是 “串行处理”，无法并行计算长消息（比如 GB 级数据）；
不支持 “加密 + 认证一体化”：若需要同时加密消息，需额外搭配 AES 等加密算法。

（3）典型应用场景

API 接口签名（如微信支付、阿里云 API）：防止请求被篡改；

文件完整性校验（如 Linux 系统的 rpm 包校验）；

物联网设备的小型数据认证（如传感器采集的温度数据）。

2. CMAC：基于分组密码的 “加密认证二合一选手”

CMAC（Cipher-based MAC，基于密码的消息认证码）是为 “分组密码”（如 AES、DES）设计的 MAC 算法。它解决了传统 “ECB 模式分组密码” 用于认证时的安全漏洞，同时支持 “加密 + 认证” 联动。

（1）CMAC 的原理：“分组异或 + 密钥扩展”

分组密码的特点是 “将消息分成固定长度的块（如 AES 的 128 位块）” 处理，CMAC 通过 “块间异或 + 最后一块特殊处理” 实现认证，步骤如下（以 AES-128 为例）：

关键设计：通过 “子密钥 K1/K2” 处理最后一块消息，避免了 “相同消息块产生相同加密结果” 的漏洞（ECB 模式的致命问题）。

（2）CMAC 的特点

优势：

支持 “加密 + 认证一体化”：若在分块处理时直接加密消息块，可同时得到 “加密后的消息 + 认证码”，减少计算步骤；
安全性高：基于 AES 等强分组密码，可抵御 “差分攻击”“线性攻击” 等高级攻击；
适合短消息：对小于 1KB 的消息处理效率优于 HMAC。

劣势：

并行性差：与 HMAC 类似，需按块串行处理，无法利用多核 CPU 加速；
依赖分组密码：若系统未部署 AES 等分组密码，需额外集成，兼容性略逊于 HMAC。

（3）典型应用场景

金融交易加密认证（如银行卡芯片的交易数据）；

物联网设备的加密消息认证（如智能家居的控制指令）；

工业控制系统（如 PLC 设备的指令传输）。

3. GMAC：基于流密码模式的 “高速并行冠军”

GMAC（Galois/Counter Mode MAC，伽罗瓦 / 计数器模式 MAC）是 GCM（Galois/Counter Mode）加密模式的 “认证部分”，基于 “流密码 + 伽罗瓦域乘法” 实现，最大特点是支持并行计算，速度远超 HMAC 和 CMAC。

（1）GMAC 的原理：“计数器加密 + 伽罗瓦哈希”

GMAC 的核心是 “将消息分成块后，用计数器生成的密钥流加密，再通过伽罗瓦域乘法合并结果。

关键设计：

并行性：每个消息块的加密和哈希计算可独立进行，适合大文件 / 高速传输场景；

伽罗瓦域乘法：一种数学运算，能快速合并多个块的结果，保证认证安全性。

（2）GMAC 的特点

优势：

速度极快：支持并行计算，在多核 CPU / 硬件加速（如 AES-NI 指令集）下，处理 GB 级数据比 HMAC 快 5~10 倍；
加密 + 认证一体化：与 GCM 模式结合，可同时完成加密和认证，效率极高；
支持 “附加数据认证”：可对 “不加密但需认证” 的数据（如消息头、时间戳）一起计算认证码。

劣势：

安全性依赖 “IV 唯一性”：若同一密钥下使用相同的 IV（初始向量），会导致认证漏洞；
硬件依赖强：若没有硬件加速（如老旧 CPU 不支持 AES-NI），软件实现速度可能不如 HMAC。

（3）典型应用场景

高速网络传输（如 5G 核心网的数据传输、视频流加密）；

大型文件加密存储（如云端硬盘、数据库加密）；

实时系统（如自动驾驶的传感器数据传输）。

三、HMAC、CMAC、GMAC 对比：怎么选？

为了帮你快速决策，我们将三者的核心指标整理成表格：

对比维度	HMAC	CMAC	GMAC
底层依赖	哈希函数（SHA-2、SHA-3 等）	分组密码（AES、DES 等）	流密码（GCM 模式 + AES 等）
计算速度	较慢（串行）	中等（串行）	极快（并行，支持硬件加速）
安全性	高（依赖哈希函数安全）	高（依赖分组密码安全）	高（需保证 IV 唯一性）
加密 + 认证一体化	不支持（需额外加密）	支持	支持（与 GCM 联动）
并行计算支持	不支持	不支持	支持
兼容性	极强（全平台内置）	较强（需分组密码支持）	中等（需 GCM 模式支持）
典型应用场景	API 签名、文件校验	金融交易、物联网短消息	5G 传输、大文件加密、实时系统