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Spring Boot对访问密钥加解密——HMAC-SHA256

article 2025/3/1 13:00:07

HMAC-SHA256 简介

HMAC-SHA256 是一种基于 哈希函数 的消息认证码（Message Authentication Code, MAC），它结合了哈希算法（如 SHA-256）和一个密钥，用于验证消息的完整性和真实性。

HMAC 是 “Hash-based Message Authentication Code” 的缩写，它广泛应用于网络通信中，用于保证消息在传输过程中未被篡改，同时也可以校验消息是否来自可信方。

HMAC-SHA256 的组成

HMAC-SHA256 的运算公式如下：

HMAC(key, message) = SHA256((key ⊕ opad) || SHA256((key ⊕ ipad) || message))

key：一个秘密密钥，用于认证消息，只有通信双方知道。
message：需要进行签名的消息内容。
SHA256：一种安全的哈希函数，用于生成固定长度的摘要值。
⊕：按位异或操作（XOR）。
opad 和 ipad

：
- opad：外部填充字节 (0x5c)。
- ipad：内部填充字节 (0x36)。

流程解释：

将密钥与 ipad 结合，并将其与消息一起进行第一次哈希。
将密钥与 opad 结合，并将其与第一次哈希的结果一起进行第二次哈希。
最终输出 HMAC 值。

HMAC-SHA256 的特点

基于密钥：
- 与普通的 SHA256 不同，HMAC-SHA256 引入了密钥，只有通信双方知道密钥，保证了消息的认证性。
抗篡改：
- 如果消息在传输过程中被篡改，HMAC 认证将失败。
抗重放攻击：
- 通常结合时间戳（timestamp）或随机数（nonce），防止消息被恶意重放。
性能高效：
- 基于哈希函数的算法速度快，适合高并发场景。
简单易用：
- 常用于 REST API、签名验证和网络协议中。

HMAC-SHA256 的应用场景

API 鉴权：
- 许多云服务和 API 平台（如 AWS、阿里云等）使用 HMAC-SHA256 来验证 API 请求的真实性和完整性。
消息完整性校验：
- 用于验证消息在传输过程中未被篡改。
数据完整性校验：
- 用于验证文件或数据传输的完整性（结合密钥，防止恶意伪造）。
通信协议：
- 用于加密通信协议（如 TLS）的消息认证。
Token 签名：
- 用于生成和验证基于密钥的 Token，如 JWT（JSON Web Token）的签名部分。

HMAC-SHA256 的优点

安全性强：
- 基于 SHA-256 的安全性，结合密钥使用，安全性更高。
对抗攻击：
- 有效抵抗暴力破解、哈希碰撞和中间人攻击。
跨平台支持：
- 各种编程语言和库都支持 HMAC-SHA256。
性能优越：
- 计算量小，适合高性能需求的场景。

HMAC 与其他加密算法的对比

特性	HMAC-SHA256	RSA 签名	普通哈希
是否需要密钥	是	是	否
加密/认证用途	认证	认证和加密	数据完整性校验
性能	高效	较慢	高效
应用场景	API 鉴权、消息验证	数字签名、PKI	文件校验、数据校验

常见问题

HMAC-SHA256 与普通 SHA-256 有什么区别？
- SHA-256 是一种单向哈希算法，用于生成固定长度的摘要值；
- HMAC-SHA256 是基于 SHA-256 和密钥的消息认证码，除了生成摘要外，还能验证消息来源和完整性。
HMAC-SHA256 的密钥如何管理？
- 密钥必须严格保密，通常存储在安全的配置文件或密钥管理服务（如 AWS KMS）中。
是否需要 HTTPS？
- HMAC-SHA256 可以防止消息篡改，但不能保护消息的机密性。建议配合 HTTPS 使用。
可以用 HMAC-SHA256 替代 RSA 签名吗？
- 如果双方共享密钥，HMAC-SHA256 是更高效的选择；
- 如果需要非对称签名或验证，应该使用 RSA。

代码示例

客户端示例

假设这是一个Java客户端（可能是后端服务或桌面应用等），要调用你的服务接口 /api/secure，并用 HMAC-SHA256 做签名。

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
import java.util.Base64;

public class HmacClientExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1) 准备必要参数
        String accessKeyId = "myKeyId";
        String accessKeySecret = "myKeySecret"; // 保密
        String method = "POST";
        String path = "/api/secure";
        // 例如携带一个 timestamp (yyyyMMddHHmmss)
        String timestamp = LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyyMMddHHmmss"));

        // 2) 如果有请求体，需要计算 bodyHash (这里只是示例)
        //   实际可对 JSON 字符串做 MD5 或 SHA256，再 Hex 或 Base64
        String requestBody = "{\"foo\":\"bar\"}"; // JSON
        String bodyHash = sha256Hex(requestBody);

        // 3) 拼装 StringToSign (示例逻辑，可自定义)
        //    这里用换行分隔 method, path, timestamp, bodyHash
        String stringToSign = method + "\n" 
                              + path + "\n" 
                              + timestamp + "\n" 
                              + bodyHash;

        // 4) 做 HMAC-SHA256
        String signature = hmacSha256Base64(stringToSign, accessKeySecret);

        // 5) 将签名和 keyId、timestamp 放到 HTTP 头部
        //    伪代码: 构建 HTTP 请求
        System.out.println("X-AccessKeyId: " + accessKeyId);
        System.out.println("X-Timestamp: " + timestamp);
        System.out.println("X-Signature: " + signature);
        // 之后再把 requestBody 当作 JSON 发出 (POST)
        // ...

        // 这是示例演示，真实项目中可用 HttpClient、OkHttp 等发请求
    }

    /**
     * 计算字符串的 SHA-256 再转 hex (可选：也可用 Base64)
     */
    private static String sha256Hex(String data) throws Exception {
        MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        byte[] bytes = digest.digest(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        return bytesToHex(bytes);
    }

    /**
     * HMAC-SHA256 + Base64
     */
    private static String hmacSha256Base64(String data, String secret) throws Exception {
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secret.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "HmacSHA256");
        mac.init(keySpec);
        byte[] rawHmac = mac.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        return Base64.getEncoder().encodeToString(rawHmac);
    }

    private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder(bytes.length * 2);
        for (byte b : bytes) {
            sb.append(String.format("%02x", b));
        }
        return sb.toString();
    }
}

核心：StringToSign 拼装 + HMAC-SHA256 计算签名 + 在请求头中带上 accessKeyId、timestamp、signature。
bodyHash 的计算方式可自行定义，也可以用 MD5、直接放明文 body 等。只要客户端和服务端保持一致即可。

服务端示例 (Spring Boot)

下面以 Spring Boot + Controller 为例，展示如何验证签名。主要逻辑：

从 HTTP 头中取 X-AccessKeyId, X-Timestamp, X-Signature。
根据 accessKeyId 找到 secret；
用相同的方式拼装 StringToSign；
做同样的 HMAC-SHA256 计算；
比对与客户端传来的 signature 是否相同。

2.1 Controller 示例

@RestController
@RequestMapping("/api")
public class SecureApiController {

    // 示例：内存中保存 keyId -> keySecret 映射
    private Map<String, String> keyStore = new HashMap<>();

    public SecureApiController() {
        // 假设这里初始化了一个myKeyId -> myKeySecret
        keyStore.put("myKeyId", "myKeySecret");
    }

    @PostMapping("/secure")
    public ResponseEntity<?> secureEndpoint(
            HttpServletRequest request,
            @RequestBody(required=false) String body // raw JSON
    ) {
        try {
            // 1) 从header读取
            String accessKeyId = request.getHeader("X-AccessKeyId");
            String timestamp = request.getHeader("X-Timestamp");
            String clientSignature = request.getHeader("X-Signature");

            if (accessKeyId == null || timestamp == null || clientSignature == null) {
                return ResponseEntity.status(HttpStatus.UNAUTHORIZED).body("Missing auth headers");
            }

            // 2) 查找keySecret
            String keySecret = keyStore.get(accessKeyId);
            if (keySecret == null) {
                return ResponseEntity.status(HttpStatus.UNAUTHORIZED).body("Invalid accessKeyId");
            }

            // 3) 计算 bodyHash(可选)
            //    假设客户端用了 sha256Hex(body)
            String bodyHash = sha256Hex(body == null ? "" : body);

            // 4) 与客户端相同的拼接方式
            String method = request.getMethod(); // "POST"
            String path = request.getRequestURI(); // "/api/secure"
            // StringToSign
            String stringToSign = method + "\n" 
                                + path + "\n" 
                                + timestamp + "\n" 
                                + bodyHash;

            // 5) 服务端做 HMAC-SHA256
            String serverSignature = hmacSha256Base64(stringToSign, keySecret);

            // 6) 比对签名
            if (!serverSignature.equals(clientSignature)) {
                return ResponseEntity.status(HttpStatus.UNAUTHORIZED).body("Signature mismatch");
            }

            // 7) 可选校验: timestamp 是否过期
            if (!checkTimestampValid(timestamp)) {
                return ResponseEntity.status(HttpStatus.UNAUTHORIZED).body("Timestamp expired or invalid");
            }

            // 8) 一切正常
            return ResponseEntity.ok("Success! Request body was: " + body);

        } catch (Exception e) {
            return ResponseEntity.status(HttpStatus.UNAUTHORIZED).body("Auth error: " + e.getMessage());
        }
    }

    // 计算 SHA256Hex
    private String sha256Hex(String data) throws Exception {
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        byte[] digest = md.digest(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        return bytesToHex(digest);
    }

    // HMAC-SHA256 + Base64
    private String hmacSha256Base64(String data, String secret) throws Exception {
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secret.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "HmacSHA256");
        mac.init(keySpec);
        byte[] rawHmac = mac.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        return Base64.getEncoder().encodeToString(rawHmac);
    }

    private String bytesToHex(byte[] bytes) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder(bytes.length * 2);
        for (byte b : bytes) {
            sb.append(String.format("%02x", b));
        }
        return sb.toString();
    }

    // 时间戳校验 (±15分钟示例)
    private boolean checkTimestampValid(String timestampStr) {
        try {
            // 这里假设 timestampStr 是 yyyyMMddHHmmss
            DateTimeFormatter fmt = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyyMMddHHmmss");
            LocalDateTime reqTime = LocalDateTime.parse(timestampStr, fmt);
            LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
            return !reqTime.isBefore(now.minusMinutes(15)) && !reqTime.isAfter(now.plusMinutes(15));
        } catch (Exception e) {
            return false;
        }
    }
}

注意：上面为了演示方便，用 @RequestBody(required=false) String body 直接拿到原始 JSON 字符串，再做 sha256Hex；如果是对象映射，你要注意读取流和计算摘要的先后顺序。
你也可以在 Filter 或 Interceptor 里做这个签名验签逻辑，避免在每个 Controller 里写。
timestamp 校验 + 可能的 nonce 防重放（可用 Redis 记录 5 分钟内出现过的 (accessKeyId,timestamp,nonce)），以更好地防御重复调用。

总结

客户端
- 准备 accessKeyId, accessKeySecret；
- 拼出 StringToSign（通常包含 method、path、timestamp、bodyHash 等）；
- HMAC-SHA256( StringToSign, accessKeySecret ) → signature；
- 在 HTTP 请求头里带上 accessKeyId, signature, timestamp；
- 用 JSON 作为请求体时，别忘了和服务端在 bodyHash 算法上保持一致。
服务端
- 通过 accessKeyId 找到对应的 accessKeySecret；
- 按同样规则构造 StringToSign；
- 计算 HMAC-SHA256 并和客户端的 signature 对比；
- 一致则通过，不一致则 401/403；
- 可加时间戳、nonce、限流等加强安全性。
优点
- 不需要公钥/私钥，也不需要RSA 加解密；
- 计算速度快、实现相对简单；
- 通用性强，许多云厂商、API网关都采用类似 HMAC 签名模式。
注意
- 一定要保护好 accessKeySecret，客户端泄露就会被冒用。
- 使用 HTTPS 来保证传输安全，防止中间人截获签名或篡改。
- 若对大文件、流式上传等，需要在数据处理上稍作适配（hash可能需分段计算）。

这套 HMAC-SHA256 签名鉴权就是在很多云服务（阿里云、AWS、腾讯云）都在用的模式。只要客户端与服务端约定好StringToSign 的拼装方式、accessKeyId → secret 映射、时间戳/nonce防重放，就能形成一套轻量、高效的对外接口鉴权机制。

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http://www.kler.cn/a/457912.html