鸿蒙源码分析（二十二）

梦里梦外; 2022-09-04 03:51 388阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  Aead算法、gcm、ccm介绍
 *   *  一、Aead介绍
     *  二、gcm介绍
     *  三、ccm介绍
     *  四、相关知识点

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# Aead算法、gcm、ccm介绍 #

## 一、Aead介绍 ##

AEAD(authenticated encryption with associated data)：关联数据的认证加密，顾名思义，除可提供对密文数据的隐私、完整性和真实性保证外，还可提供对未加密的关联数据的完整性保证。常用的关联数据通常包括消息的长度和消息的编码方式。  
AEAD为AE的变种，可让receiver验证所收到消息中已加密和未加密信息的完整性。任何企图将有效加密信息与不同上下文结合的篡改都可通过AEAD发现。

**AEAD的实现步骤为：**

*  通过密钥key对消息加密，通过增加随机数来保证隐私；
 *  计算一个认证标签，通过该认证标签可保证一条消息中加密和未加密的部分均未被篡改。

**Aead实现方案：**

*  **EtM (Encryption then MAC)**  
    ![在这里插入图片描述][e0b91ddfc60a4fb587a69720bb49da26.png]

先加密，然后对密文进行 MAC 运算（一般用各种 HMAC），把二者拼接起来，发给接收方。  
接收方先验证 MAC，如果验证通过，则证明密钥是正确的，然后执行解密运算。

*  **E&M (Encryption and MAC)**  
    ![在这里插入图片描述][7ed808f9c5974ea9822b5d07f1b25c3f.png]

同时对原始数据执行加密和 MAC 运算，把二者拼接起来，发给接收方。  
接收方先进行解密，然后对解密结果执行 MAC 运算，比对发来的 MAC，验证正确性。

*  **MtE (MAC then Encryption)**  
    ![在这里插入图片描述][9ae156b71a584f04be3d044fe2c08bd9.png]

与 EtM 相反，先对原始数据执行 MAC 运算，与原始数据拼接后，执行加密算法，将密文发送给接收方。  
接受方先进行解密，然后执行 MAC 运算，验证解密结果是否正确。

**常见的Aead算法：**  
**1.AES-128-GCM  
2.AES-192-GCM  
3.AES-256-GCM  
4.ChaCha20-IETF-Poly1305  
5.XChaCha20-IETF-Poly1305**

## 二、gcm介绍 ##

GCM（Galois/Counter Mode）  
GCM中的G就是指GMAC，C就是指CTR。  
GCM可以提供对消息的加密和完整性校验，另外，它还可以提供附加消息的完整性校验。在实际应用场景中，有些信息是我们不需要保密，但信息的接收者需要确认它的真实性的，例如源IP，源端口，目的IP，IV，等等。因此，我们可以将这一部分作为附加消息加入到MAC值的计算当中。下图的Ek表示用对称秘钥k对输入做AES运算。最后，密文接收者会收到密文、IV（计数器CTR的初始值）、MAC值。  
**gcm流程示意图：**  
![在这里插入图片描述][975e022002d04c1cbe8e420f62a21113.png]  
GCM模式使用两个函数：带密钥的Hash函数GHASH，以及计数器每次增1 的CTR模式的GCTR。  
**1.GHASH**  
![在这里插入图片描述][14258a9149ef4c698f0459f089a05f39.png]  
　GHASHH(X)函数将Hash密钥H和位串X作为输入，经过转化函数可表示成：

GHASHH(X) = (X1•Hm)⊕(X2•Hm-1)⊕…⊕(Xm-1•H2)⊕(Xm•H)

该式非常适合快速实现，如果使用相同的Hash密钥认证多个消息，那么H2，H3，…能够通过一次预计算来对所有消息进行认证，并且待认证的数据分组(X1，X2，…，Xm)能够并行处理，因为每组计算都相互独立。  
**2.GCRT**  
![在这里插入图片描述][4ab74c75db194746a822ce85af0160b2.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
inc32(S)函数对S的最右32位增1并取模232，其余位不变。  
最后一次加密生成MSB，根据Xn’的长度截取后再与Xn’异或产生Yn’  
**3.流程**  
![在这里插入图片描述][ae8037076b074818bea4dce9ea308165.png_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][fee9b407d947435ca957de2e3df244f6.png_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 三、ccm介绍 ##

CCM是Cipher Block Chaining Message Authentication Code (CBC-MAC)和Counter模式（CTR）的组合。可以同时生存认证信息和对数据加密。CCM广泛用于互联网和物联网中对传输数据进行保护。而且很多MCU中都实现了对CCM的硬件支持，使用也比较方便。  
在数据通信中，传输中的数据包由两部分构成：数据包头和用户数据（payload）。用户数据一般需要加密以防止窃听。但传输路上的设备（路由器、交换机等）往往需要参照数据包头以保证把数据包能正确地送到目的地，因此数据包头不能加密。网络通信中的风险除了窃听，还有恶意篡改、伪造等其他行为。因此为了保证收到的数据包没有被篡改，需要对整个数据、包括包头进行认证。

**CCM加密过程的输入由三部分构成：**

*  1、将要被加密和认证的数据，即明文消息P数据块
 *  2、将要被认证，但是不需要加密的相关数据A，如协议头等。
 *  3、临时量N，作为负载和相关数据的补充，对每条消息N取值唯一，以防止重放攻击等。  
    ![在这里插入图片描述][e0bb8e4f899442f984aab85ce2cdb8ac.png]  
    ![在这里插入图片描述][f0802d5283324c29a2608cacd1f230c6.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]

**数据认证参数**

*  认证域的长度M
 *  长度域的长度L

**认证过程还需要的参数**

*  密钥K
 *  Nonce N，长度为：15-L。Nonce在一个密钥的使用周期内必须确保唯一。
 *  明文信息m，其长度l(m)的范围为0≤l(m)＜2^(8L)，目的是其长度确保可以由L字节的长度域保存。
 *  额外认证数据a（一般为数据包的报头），其长度为l(a)，大小范围为：0≤l(a)＜2^(64)。这部分数据只认证（Authenticate），不加密。因此也不包含在该模式的输出中。主要是用于认证明文的报头、或影响消息解析的上下文信息。

**数据加密**  
![在这里插入图片描述][1058940546784f3d834339bade29b85c.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
需要进行加密计算的Counter域A\_i根据以下方式生成：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Octet Number</th> 
   <th>Contents</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>0</td> 
   <td>Flags</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1 … 15-L</td> 
   <td>Nonce N</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>16-L … 15</td> 
   <td>Counter i</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中的Counter i域以most-significant-byte first order形式编码。第一个字节的Flags域由以下bit构成：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Bit Number</th> 
   <th>Contents</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>7</td> 
   <td>Reserved (always zero)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>6</td> 
   <td>Reserved (always zero)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5…3</td> 
   <td>Zero</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2…0</td> 
   <td>L’=L-1，（L：长度域长度，L=1为保留值，禁止使用）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

加密计算后的结果表示为S\_i：\\

S\_i := E( K, A\_i ) for i=0, 1, 2, …

将上述加密后的结果S\_1, S\_2, S\_3 … .组合成数据串，并取前l(m)个字节与明文数据m进行XOR操作，得到密文。注意：S\_0不用于XOR操作。

最终的认证串的值U则利用S\_0计算得到，如下所示：

U := T XOR first-M-bytes( S\_0 )

## 四、相关知识点 ##

![在这里插入图片描述][8b9b0c5bc18240b19b00ea96da7e8198.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][92ef2e8eb1394bd2b8708cde49d99a00.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][4694c2d8badd4f7bbeedfc804ee0f971.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][cbb2e3b65a394f26a2151c3824032769.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][da5ea4137aa345be808aa266e484d8bd.png_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ2OTc2MjUy_size_16_color_FFFFFF_t_70]

以上为今天的算法分享，感谢阅读点赞。

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[975e022002d04c1cbe8e420f62a21113.png]: /images/20220829/c6d845d9362f4b0d8ae8d4074f10c036.png
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