home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1997 December / Internet_Info_CD-ROM_Walnut_Creek_December_1997.iso / rfc / rfc2104 < prev    next >
Text File  |  1997-02-05  |  22KB  |  620 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7. Network Working Group                                       H. Krawczyk
  8. Request for Comments: 2104                                          IBM
  9. Category: Informational                                      M. Bellare
  10.                                                                    UCSD
  11.                                                              R. Canetti
  12.                                                                     IBM
  13.                                                           February 1997
  14.  
  15.  
  16.              HMAC: Keyed-Hashing for Message Authentication
  17.  
  18. Status of This Memo
  19.  
  20.    This memo provides information for the Internet community.  This memo
  21.    does not specify an Internet standard of any kind.  Distribution of
  22.    this memo is unlimited.
  23.  
  24. Abstract
  25.  
  26.    This document describes HMAC, a mechanism for message authentication
  27.    using cryptographic hash functions. HMAC can be used with any
  28.    iterative cryptographic hash function, e.g., MD5, SHA-1, in
  29.    combination with a secret shared key.  The cryptographic strength of
  30.    HMAC depends on the properties of the underlying hash function.
  31.  
  32. 1. Introduction
  33.  
  34.    Providing a way to check the integrity of information transmitted
  35.    over or stored in an unreliable medium is a prime necessity in the
  36.    world of open computing and communications. Mechanisms that provide
  37.    such integrity check based on a secret key are usually called
  38.    "message authentication codes" (MAC). Typically, message
  39.    authentication codes are used between two parties that share a secret
  40.    key in order to validate information transmitted between these
  41.    parties. In this document we present such a MAC mechanism based on
  42.    cryptographic hash functions. This mechanism, called HMAC, is based
  43.    on work by the authors [BCK1] where the construction is presented and
  44.    cryptographically analyzed. We refer to that work for the details on
  45.    the rationale and security analysis of HMAC, and its comparison to
  46.    other keyed-hash methods.
  47.  
  48.  
  49.  
  50.  
  51.  
  52.  
  53.  
  54.  
  55.  
  56.  
  57.  
  58. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 1]
  59.  
  60. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  61.  
  62.  
  63.    HMAC can be used in combination with any iterated cryptographic hash
  64.    function. MD5 and SHA-1 are examples of such hash functions. HMAC
  65.    also uses a secret key for calculation and verification of the
  66.    message authentication values. The main goals behind this
  67.    construction are
  68.  
  69.    * To use, without modifications, available hash functions.
  70.      In particular, hash functions that perform well in software,
  71.      and for which code is freely and widely available.
  72.  
  73.    * To preserve the original performance of the hash function without
  74.      incurring a significant degradation.
  75.  
  76.    * To use and handle keys in a simple way.
  77.  
  78.    * To have a well understood cryptographic analysis of the strength of
  79.      the authentication mechanism based on reasonable assumptions on the
  80.      underlying hash function.
  81.  
  82.    * To allow for easy replaceability of the underlying hash function in
  83.      case that faster or more secure hash functions are found or
  84.      required.
  85.  
  86.    This document specifies HMAC using a generic cryptographic hash
  87.    function (denoted by H). Specific instantiations of HMAC need to
  88.    define a particular hash function. Current candidates for such hash
  89.    functions include SHA-1 [SHA], MD5 [MD5], RIPEMD-128/160 [RIPEMD].
  90.    These different realizations of HMAC will be denoted by HMAC-SHA1,
  91.    HMAC-MD5, HMAC-RIPEMD, etc.
  92.  
  93.    Note: To the date of writing of this document MD5 and SHA-1 are the
  94.    most widely used cryptographic hash functions. MD5 has been recently
  95.    shown to be vulnerable to collision search attacks [Dobb].  This
  96.    attack and other currently known weaknesses of MD5 do not compromise
  97.    the use of MD5 within HMAC as specified in this document (see
  98.    [Dobb]); however, SHA-1 appears to be a cryptographically stronger
  99.    function. To this date, MD5 can be considered for use in HMAC for
  100.    applications where the superior performance of MD5 is critical.   In
  101.    any case, implementers and users need to be aware of possible
  102.    cryptanalytic developments regarding any of these cryptographic hash
  103.    functions, and the eventual need to replace the underlying hash
  104.    function. (See section 6 for more information on the security of
  105.    HMAC.)
  106.  
  107.  
  108.  
  109.  
  110.  
  111.  
  112.  
  113.  
  114. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 2]
  115.  
  116. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  117.  
  118.  
  119. 2. Definition of HMAC
  120.  
  121.    The definition of HMAC requires a cryptographic hash function, which
  122.    we denote by H, and a secret key K. We assume H to be a cryptographic
  123.    hash function where data is hashed by iterating a basic compression
  124.    function on blocks of data.   We denote by B the byte-length of such
  125.    blocks (B=64 for all the above mentioned examples of hash functions),
  126.    and by L the byte-length of hash outputs (L=16 for MD5, L=20 for
  127.    SHA-1).  The authentication key K can be of any length up to B, the
  128.    block length of the hash function.  Applications that use keys longer
  129.    than B bytes will first hash the key using H and then use the
  130.    resultant L byte string as the actual key to HMAC. In any case the
  131.    minimal recommended length for K is L bytes (as the hash output
  132.    length). See section 3 for more information on keys.
  133.  
  134.    We define two fixed and different strings ipad and opad as follows
  135.    (the 'i' and 'o' are mnemonics for inner and outer):
  136.  
  137.                    ipad = the byte 0x36 repeated B times
  138.                   opad = the byte 0x5C repeated B times.
  139.  
  140.    To compute HMAC over the data `text' we perform
  141.  
  142.                     H(K XOR opad, H(K XOR ipad, text))
  143.  
  144.    Namely,
  145.  
  146.     (1) append zeros to the end of K to create a B byte string
  147.         (e.g., if K is of length 20 bytes and B=64, then K will be
  148.          appended with 44 zero bytes 0x00)
  149.     (2) XOR (bitwise exclusive-OR) the B byte string computed in step
  150.         (1) with ipad
  151.     (3) append the stream of data 'text' to the B byte string resulting
  152.         from step (2)
  153.     (4) apply H to the stream generated in step (3)
  154.     (5) XOR (bitwise exclusive-OR) the B byte string computed in
  155.         step (1) with opad
  156.     (6) append the H result from step (4) to the B byte string
  157.         resulting from step (5)
  158.     (7) apply H to the stream generated in step (6) and output
  159.         the result
  160.  
  161.    For illustration purposes, sample code based on MD5 is provided as an
  162.    appendix.
  163.  
  164.  
  165.  
  166.  
  167.  
  168.  
  169.  
  170. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 3]
  171.  
  172. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  173.  
  174.  
  175. 3. Keys
  176.  
  177.    The key for HMAC can be of any length (keys longer than B bytes are
  178.    first hashed using H).  However, less than L bytes is strongly
  179.    discouraged as it would decrease the security strength of the
  180.    function.  Keys longer than L bytes are acceptable but the extra
  181.    length would not significantly increase the function strength. (A
  182.    longer key may be advisable if the randomness of the key is
  183.    considered weak.)
  184.  
  185.    Keys need to be chosen at random (or using a cryptographically strong
  186.    pseudo-random generator seeded with a random seed), and periodically
  187.    refreshed.  (Current attacks do not indicate a specific recommended
  188.    frequency for key changes as these attacks are practically
  189.    infeasible.  However, periodic key refreshment is a fundamental
  190.    security practice that helps against potential weaknesses of the
  191.    function and keys, and limits the damage of an exposed key.)
  192.  
  193. 4. Implementation Note
  194.  
  195.    HMAC is defined in such a way that the underlying hash function H can
  196.    be used with no modification to its code. In particular, it uses the
  197.    function H with the pre-defined initial value IV (a fixed value
  198.    specified by each iterative hash function to initialize its
  199.    compression function).  However, if desired, a performance
  200.    improvement can be achieved at the cost of (possibly) modifying the
  201.    code of H to support variable IVs.
  202.  
  203.    The idea is that the intermediate results of the compression function
  204.    on the B-byte blocks (K XOR ipad) and (K XOR opad) can be precomputed
  205.    only once at the time of generation of the key K, or before its first
  206.    use. These intermediate results are stored and then used to
  207.    initialize the IV of H each time that a message needs to be
  208.    authenticated.  This method saves, for each authenticated message,
  209.    the application of the compression function of H on two B-byte blocks
  210.    (i.e., on (K XOR ipad) and (K XOR opad)). Such a savings may be
  211.    significant when authenticating short streams of data.  We stress
  212.    that the stored intermediate values need to be treated and protected
  213.    the same as secret keys.
  214.  
  215.    Choosing to implement HMAC in the above way is a decision of the
  216.    local implementation and has no effect on inter-operability.
  217.  
  218.  
  219.  
  220.  
  221.  
  222.  
  223.  
  224.  
  225.  
  226. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 4]
  227.  
  228. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  229.  
  230.  
  231. 5. Truncated output
  232.  
  233.    A well-known practice with message authentication codes is to
  234.    truncate the output of the MAC and output only part of the bits
  235.    (e.g., [MM, ANSI]).  Preneel and van Oorschot [PV] show some
  236.    analytical advantages of truncating the output of hash-based MAC
  237.    functions. The results in this area are not absolute as for the
  238.    overall security advantages of truncation. It has advantages (less
  239.    information on the hash result available to an attacker) and
  240.    disadvantages (less bits to predict for the attacker).  Applications
  241.    of HMAC can choose to truncate the output of HMAC by outputting the t
  242.    leftmost bits of the HMAC computation for some parameter t (namely,
  243.    the computation is carried in the normal way as defined in section 2
  244.    above but the end result is truncated to t bits). We recommend that
  245.    the output length t be not less than half the length of the hash
  246.    output (to match the birthday attack bound) and not less than 80 bits
  247.    (a suitable lower bound on the number of bits that need to be
  248.    predicted by an attacker).  We propose denoting a realization of HMAC
  249.    that uses a hash function H with t bits of output as HMAC-H-t. For
  250.    example, HMAC-SHA1-80 denotes HMAC computed using the SHA-1 function
  251.    and with the output truncated to 80 bits.  (If the parameter t is not
  252.    specified, e.g. HMAC-MD5, then it is assumed that all the bits of the
  253.    hash are output.)
  254.  
  255. 6. Security
  256.  
  257.    The security of the message authentication mechanism presented here
  258.    depends on cryptographic properties of the hash function H: the
  259.    resistance to collision finding (limited to the case where the
  260.    initial value is secret and random, and where the output of the
  261.    function is not explicitly available to the attacker), and the
  262.    message authentication property of the compression function of H when
  263.    applied to single blocks (in HMAC these blocks are partially unknown
  264.    to an attacker as they contain the result of the inner H computation
  265.    and, in particular, cannot be fully chosen by the attacker).
  266.  
  267.    These properties, and actually stronger ones, are commonly assumed
  268.    for hash functions of the kind used with HMAC. In particular, a hash
  269.    function for which the above properties do not hold would become
  270.    unsuitable for most (probably, all) cryptographic applications,
  271.    including alternative message authentication schemes based on such
  272.    functions.  (For a complete analysis and rationale of the HMAC
  273.    function the reader is referred to [BCK1].)
  274.  
  275.  
  276.  
  277.  
  278.  
  279.  
  280.  
  281.  
  282. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 5]
  283.  
  284. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  285.  
  286.  
  287.    Given the limited confidence gained so far as for the cryptographic
  288.    strength of candidate hash functions, it is important to observe the
  289.    following two properties of the HMAC construction and its secure use
  290.    for message authentication:
  291.  
  292.    1. The construction is independent of the details of the particular
  293.    hash function H in use and then the latter can be replaced by any
  294.    other secure (iterative) cryptographic hash function.
  295.  
  296.    2. Message authentication, as opposed to encryption, has a
  297.    "transient" effect. A published breaking of a message authentication
  298.    scheme would lead to the replacement of that scheme, but would have
  299.    no adversarial effect on information authenticated in the past.  This
  300.    is in sharp contrast with encryption, where information encrypted
  301.    today may suffer from exposure in the future if, and when, the
  302.    encryption algorithm is broken.
  303.  
  304.    The strongest attack known against HMAC is based on the frequency of
  305.    collisions for the hash function H ("birthday attack") [PV,BCK2], and
  306.    is totally impractical for minimally reasonable hash functions.
  307.  
  308.    As an example, if we consider a hash function like MD5 where the
  309.    output length equals L=16 bytes (128 bits) the attacker needs to
  310.    acquire the correct message authentication tags computed (with the
  311.    _same_ secret key K!) on about 2**64 known plaintexts.  This would
  312.    require the processing of at least 2**64 blocks under H, an
  313.    impossible task in any realistic scenario (for a block length of 64
  314.    bytes this would take 250,000 years in a continuous 1Gbps link, and
  315.    without changing the secret key K during all this time).  This attack
  316.    could become realistic only if serious flaws in the collision
  317.    behavior of the function H are discovered (e.g.  collisions found
  318.    after 2**30 messages). Such a discovery would determine the immediate
  319.    replacement of the function H (the effects of such failure would be
  320.    far more severe for the traditional uses of H in the context of
  321.    digital signatures, public key certificates, etc.).
  322.  
  323.    Note: this attack needs to be strongly contrasted with regular
  324.    collision attacks on cryptographic hash functions where no secret key
  325.    is involved and where 2**64 off-line parallelizable (!) operations
  326.    suffice to find collisions.  The latter attack is approaching
  327.    feasibility [VW] while the birthday attack on HMAC is totally
  328.    impractical.  (In the above examples, if one uses a hash function
  329.    with, say, 160 bit of output then 2**64 should be replaced by 2**80.)
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334.  
  335.  
  336.  
  337.  
  338. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 6]
  339.  
  340. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  341.  
  342.  
  343.    A correct implementation of the above construction, the choice of
  344.    random (or cryptographically pseudorandom) keys, a secure key
  345.    exchange mechanism, frequent key refreshments, and good secrecy
  346.    protection of keys are all essential ingredients for the security of
  347.    the integrity verification mechanism provided by HMAC.
  348.  
  349.  
  350.  
  351.  
  352.  
  353.  
  354.  
  355.  
  356.  
  357.  
  358.  
  359.  
  360.  
  361.  
  362.  
  363.  
  364.  
  365.  
  366.  
  367.  
  368.  
  369.  
  370.  
  371.  
  372.  
  373.  
  374.  
  375.  
  376.  
  377.  
  378.  
  379.  
  380.  
  381.  
  382.  
  383.  
  384.  
  385.  
  386.  
  387.  
  388.  
  389.  
  390.  
  391.  
  392.  
  393.  
  394. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 7]
  395.  
  396. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  397.  
  398.  
  399. Appendix -- Sample Code
  400.  
  401.    For the sake of illustration we provide the following sample code for
  402.    the implementation of HMAC-MD5 as well as some corresponding test
  403.    vectors (the code is based on MD5 code as described in [MD5]).
  404.  
  405. /*
  406. ** Function: hmac_md5
  407. */
  408.  
  409. void
  410. hmac_md5(text, text_len, key, key_len, digest)
  411. unsigned char*  text;                /* pointer to data stream */
  412. int             text_len;            /* length of data stream */
  413. unsigned char*  key;                 /* pointer to authentication key */
  414. int             key_len;             /* length of authentication key */
  415. caddr_t         digest;              /* caller digest to be filled in */
  416.  
  417. {
  418.         MD5_CTX context;
  419.         unsigned char k_ipad[65];    /* inner padding -
  420.                                       * key XORd with ipad
  421.                                       */
  422.         unsigned char k_opad[65];    /* outer padding -
  423.                                       * key XORd with opad
  424.                                       */
  425.         unsigned char tk[16];
  426.         int i;
  427.         /* if key is longer than 64 bytes reset it to key=MD5(key) */
  428.         if (key_len > 64) {
  429.  
  430.                 MD5_CTX      tctx;
  431.  
  432.                 MD5Init(&tctx);
  433.                 MD5Update(&tctx, key, key_len);
  434.                 MD5Final(tk, &tctx);
  435.  
  436.                 key = tk;
  437.                 key_len = 16;
  438.         }
  439.  
  440.         /*
  441.          * the HMAC_MD5 transform looks like:
  442.          *
  443.          * MD5(K XOR opad, MD5(K XOR ipad, text))
  444.          *
  445.          * where K is an n byte key
  446.          * ipad is the byte 0x36 repeated 64 times
  447.  
  448.  
  449.  
  450. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 8]
  451.  
  452. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  453.  
  454.  
  455.          * opad is the byte 0x5c repeated 64 times
  456.          * and text is the data being protected
  457.          */
  458.  
  459.         /* start out by storing key in pads */
  460.         bzero( k_ipad, sizeof k_ipad);
  461.         bzero( k_opad, sizeof k_opad);
  462.         bcopy( key, k_ipad, key_len);
  463.         bcopy( key, k_opad, key_len);
  464.  
  465.         /* XOR key with ipad and opad values */
  466.         for (i=0; i<64; i++) {
  467.                 k_ipad[i] ^= 0x36;
  468.                 k_opad[i] ^= 0x5c;
  469.         }
  470.         /*
  471.          * perform inner MD5
  472.          */
  473.         MD5Init(&context);                   /* init context for 1st
  474.                                               * pass */
  475.         MD5Update(&context, k_ipad, 64)      /* start with inner pad */
  476.         MD5Update(&context, text, text_len); /* then text of datagram */
  477.         MD5Final(digest, &context);          /* finish up 1st pass */
  478.         /*
  479.          * perform outer MD5
  480.          */
  481.         MD5Init(&context);                   /* init context for 2nd
  482.                                               * pass */
  483.         MD5Update(&context, k_opad, 64);     /* start with outer pad */
  484.         MD5Update(&context, digest, 16);     /* then results of 1st
  485.                                               * hash */
  486.         MD5Final(digest, &context);          /* finish up 2nd pass */
  487. }
  488.  
  489. Test Vectors (Trailing '\0' of a character string not included in test):
  490.  
  491.   key =         0x0b0b0b0b0b0b0b0b0b0b0b0b0b0b0b0b
  492.   key_len =     16 bytes
  493.   data =        "Hi There"
  494.   data_len =    8  bytes
  495.   digest =      0x9294727a3638bb1c13f48ef8158bfc9d
  496.  
  497.   key =         "Jefe"
  498.   data =        "what do ya want for nothing?"
  499.   data_len =    28 bytes
  500.   digest =      0x750c783e6ab0b503eaa86e310a5db738
  501.  
  502.   key =         0xAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
  503.  
  504.  
  505.  
  506. Krawczyk, et. al.            Informational                      [Page 9]
  507.  
  508. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  509.  
  510.  
  511.   key_len       16 bytes
  512.   data =        0xDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD...
  513.                 ..DDDDDDDDDDDDDDDDDDDD...
  514.                 ..DDDDDDDDDDDDDDDDDDDD...
  515.                 ..DDDDDDDDDDDDDDDDDDDD...
  516.                 ..DDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
  517.   data_len =    50 bytes
  518.   digest =      0x56be34521d144c88dbb8c733f0e8b3f6
  519.  
  520. Acknowledgments
  521.  
  522.    Pau-Chen Cheng, Jeff Kraemer, and Michael Oehler, have provided
  523.    useful comments on early drafts, and ran the first interoperability
  524.    tests of this specification. Jeff and Pau-Chen kindly provided the
  525.    sample code and test vectors that appear in the appendix.  Burt
  526.    Kaliski, Bart Preneel, Matt Robshaw, Adi Shamir, and Paul van
  527.    Oorschot have provided useful comments and suggestions during the
  528.    investigation of the HMAC construction.
  529.  
  530. References
  531.  
  532.    [ANSI]  ANSI X9.9, "American National Standard for Financial
  533.            Institution Message Authentication (Wholesale)," American
  534.            Bankers Association, 1981.   Revised 1986.
  535.  
  536.    [Atk]   Atkinson, R., "IP Authentication Header", RFC 1826, August
  537.            1995.
  538.  
  539.    [BCK1]  M. Bellare, R. Canetti, and H. Krawczyk,
  540.            "Keyed Hash Functions and Message Authentication",
  541.            Proceedings of Crypto'96, LNCS 1109, pp. 1-15.
  542.            (http://www.research.ibm.com/security/keyed-md5.html)
  543.  
  544.    [BCK2]  M. Bellare, R. Canetti, and H. Krawczyk,
  545.            "Pseudorandom Functions Revisited: The Cascade Construction",
  546.            Proceedings of FOCS'96.
  547.  
  548.    [Dobb]  H. Dobbertin, "The Status of MD5  After a Recent Attack",
  549.            RSA Labs' CryptoBytes, Vol. 2 No. 2, Summer 1996.
  550.            http://www.rsa.com/rsalabs/pubs/cryptobytes.html
  551.  
  552.    [PV]    B. Preneel and P. van Oorschot, "Building fast MACs from hash
  553.            functions", Advances in Cryptology -- CRYPTO'95 Proceedings,
  554.            Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag Vol.963,
  555.            1995, pp. 1-14.
  556.  
  557.    [MD5]   Rivest, R., "The MD5 Message-Digest Algorithm",
  558.            RFC 1321, April 1992.
  559.  
  560.  
  561.  
  562. Krawczyk, et. al.            Informational                     [Page 10]
  563.  
  564. RFC 2104                          HMAC                     February 1997
  565.  
  566.  
  567.    [MM]    Meyer, S. and Matyas, S.M., Cryptography, New York Wiley,
  568.            1982.
  569.  
  570.    [RIPEMD] H. Dobbertin, A. Bosselaers, and B. Preneel, "RIPEMD-160: A
  571.             strengthened version of RIPEMD", Fast Software Encryption,
  572.             LNCS Vol 1039, pp. 71-82.
  573.             ftp://ftp.esat.kuleuven.ac.be/pub/COSIC/bosselae/ripemd/.
  574.  
  575.    [SHA]   NIST, FIPS PUB 180-1: Secure Hash Standard, April 1995.
  576.  
  577.    [Tsu]   G. Tsudik, "Message authentication with one-way hash
  578.            functions", In Proceedings of Infocom'92, May 1992.
  579.            (Also in "Access Control and Policy Enforcement in
  580.             Internetworks", Ph.D. Dissertation, Computer Science
  581.             Department, University of Southern California, April 1991.)
  582.  
  583.    [VW]    P. van Oorschot and M. Wiener, "Parallel Collision
  584.            Search with Applications to Hash Functions and Discrete
  585.            Logarithms", Proceedings of the 2nd ACM Conf. Computer and
  586.            Communications Security, Fairfax, VA, November 1994.
  587.  
  588. Authors' Addresses
  589.  
  590.    Hugo Krawczyk
  591.    IBM T.J. Watson Research Center
  592.    P.O.Box 704
  593.    Yorktown Heights, NY 10598
  594.  
  595.    EMail: hugo@watson.ibm.com
  596.  
  597.    Mihir Bellare
  598.    Dept of Computer Science and Engineering
  599.    Mail Code 0114
  600.    University of California at San Diego
  601.    9500 Gilman Drive
  602.    La Jolla, CA 92093
  603.  
  604.    EMail: mihir@cs.ucsd.edu
  605.  
  606.    Ran Canetti
  607.    IBM T.J. Watson Research Center
  608.    P.O.Box 704
  609.    Yorktown Heights, NY 10598
  610.  
  611.    EMail: canetti@watson.ibm.com
  612.  
  613.  
  614.  
  615.  
  616.  
  617.  
  618. Krawczyk, et. al.            Informational                     [Page 11]
  619.  
  620.