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消息认证码（MAC）在物联网发布者中如何应用

2024-11-15 7

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简介： 消息认证码（MAC）在物联网发布者中的应用主要是为了确保数据的完整性和来源的真实性。通过使用密钥生成的MAC值，可以验证发送者身份和数据未被篡改，从而提高物联网系统的安全性和可靠性。

消息认证码（MAC）基础
- 定义与原理：消息认证码是一种基于密钥的密码学技术，用于验证消息的完整性和真实性。它使用一个共享密钥和消息内容通过特定的算法生成一个固定长度的认证码。这个认证码与消息一起发送，接收方使用相同的密钥和接收到的消息，通过相同的算法重新计算认证码，然后比较两个认证码是否一致。如果一致，则可以高度确信消息在传输过程中没有被篡改，并且消息来自拥有正确密钥的发送方。
- 常用算法：如HMAC - SHA256（基于SHA256哈希算法的键控 - 哈希消息认证码），它结合了哈希函数的单向性和密钥的安全性，提供了强大的消息认证能力。在这种算法中，先将密钥和消息通过一定的预处理步骤，然后利用SHA256哈希函数生成MAC值。
在物联网发布者中的应用步骤
- 密钥生成与管理
  - 生成安全密钥：在物联网发布者设备中，首先需要生成一个安全的密钥。这个密钥可以是通过随机数生成器生成的，并且其长度要足够长以保证安全性。例如，对于HMAC - SHA256算法，密钥长度可以是256位。对于资源受限的物联网设备，可能需要使用硬件安全模块（HSM）来生成密钥，以确保密钥生成过程的随机性和安全性。
  - 安全存储密钥：生成的密钥需要安全地存储在发布者设备中。可以利用设备内部的安全存储区域，如受信任的平台模块（TPM）或者加密的闪存区域来存储密钥。同时，要防止密钥被非法读取或篡改，例如通过设置访问权限和加密存储等措施。
  - 密钥更新机制：为了应对密钥可能被泄露的风险，需要建立密钥更新机制。可以定期（如每月或每季度）更新密钥，或者根据设备的安全策略在特定事件（如设备重启、检测到异常访问尝试等）发生时更新密钥。更新密钥时，需要确保发布者和接收者能够同步更新，这可能需要通过安全的密钥交换协议或者预先配置的更新机制来实现。
- MAC生成与消息发送
  - 数据准备：物联网发布者从传感器或其他数据源获取数据后，将数据整理成适合传输的格式。例如，将温度、湿度等环境数据打包成一个JSON格式的数据结构，如{"temperature": 25, "humidity": 60}。
  - MAC生成：使用存储的密钥和准备好的数据，通过选定的MAC算法（如HMAC - SHA256）生成MAC值。在Java中，可以使用以下代码示例生成MAC值（假设data是要发送的数据，secretKey是存储的密钥）：
```
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
public class MacExample {
         
    public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
         
        String data = "{\"temperature\": 25, \"humidity\": 60}";
        String secretKey = "mySecretKey";
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "HmacSHA256");
        mac.init(keySpec);
        byte[] macValue = mac.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        System.out.println("MAC Value: " + java.util.Base64.getEncoder().encodeToString(macValue));
    }
}
```
  - 消息发送：将生成的MAC值与数据一起发送给接收者。可以将MAC值作为消息头的一部分或者作为独立的数据字段与消息主体一起发送。例如，在MQTT协议中，可以将MAC值作为消息的一个自定义属性发送。
接收者验证MAC
- 接收数据与提取MAC：接收者收到消息后，先将消息中的数据和MAC值分离。例如，在收到包含数据和MAC值的MQTT消息后，从消息负载中提取出这两个部分。
- 重新计算MAC：使用与发布者相同的密钥和接收到的数据，通过相同的MAC算法重新计算MAC值。
- 比较MAC值：将重新计算得到的MAC值与接收到的MAC值进行比较。如果两个值相同，就可以确认消息在传输过程中没有被篡改，并且消息来源是合法的；如果不同，则说明消息可能被篡改或者来自非法的发送者，接收者可以采取相应的措施，如丢弃消息、发出警报等。

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