【密码算法 之六】CCM 浅析

CCM模式浅析

1. 综述

  CCM（Counter with Cipher Block Chaining-Message Authentication Code）是CBC-MAC与CTR的组合，可同时进行数据加密及认证，它基于对称秘钥分组加密算法，

分组大小 128bits

，因此 CCM 可以用于 AES，但是不能用于DES、3DES（分组大小为64bits）。CCM模式可以认为是分组加密算法的一种模式。

  CCM是CTR加密模式和CMAC认证算法的混合使用，常用在需要同时加密和认证的领域，比如WiFi安全中的WPE协议，它使用了AES-CCM模式。

  CCM首先使用CBC-MAC（Cipher Block Chaining-Message Authentication Code）模式对传输帧进行认证，然后使用CTR模式进行数据的加密。

  在数据通信中，传输的数据包由两部分组成：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，但是传输路上的设备（路由器、交换机等）则往往需要数据包头以保证数据包能够正确的送到目的地，因此对数据包头不能加密。

CCM的输入包括三个元素：

• 待认证和加密的数据，称为有效载荷（P）；
• 将被认证但不被加密的相关数据（ADD）；
• Nonce，与P及ADD相关的一个唯一值；

2. 加密

2.1 前置条件（Prerequisites）

• 分组加密算法（block cipher algorithm），必须分组长度为 128bit 的分组加密算法
• 加密秘钥 K
• 计数器生成函数（counter generation function）
• 格式化函数（formatting function）
• MAC的长度 Tlen

2.2 输入（Input）

• N值（valid nonce N），其实就是 IV值
• 明文P及长度Plen（valid payload P of length Plen bits）
• 关联数据A（valid associated data A）

2.3 输出（Output）

• 密文C（ciphertext C）

2.4 加密流程（Steps）

（1）通过格式化函数将（N, A, P）数据格式化为 B0，B1，…，Br 等

128bit

的数据块（Br可能是非 128bit 对齐的块）；
（2）对第0个数据块 B0 加密，得到密文块 Y0；
（3）依次加密后面的所有数据块：For i = 1 to r, Yi = CIPHK(Bi⊕Yi-1)；
（4）取 Yr 的

高

Tlen 字节作为 Tag 值，记为 **

T

** ，此值就是MAC值；
（5）通过计数发生器，依次生成 Ctr0，Ctr1，…，Ctrm，其中 m = (Plen + 127 ) / 128；
（6）For j=0 to m, do Sj = CIPHK(Ctrj)） ，对 Ctrj 数据块依次进行加密，得到 Sj；
（7）将S1、S2，…，Sm拼接在一起，得到S，S = S1 || S2 || …|| Sm（注意；拼接的时候不包含S0）；
（8）C = (P ⊕ MSBPlen(S)) || (T ⊕ MSBTlen(S0))；

3. 解密

3.1 前置条件（Prerequisites）

• 分组加密算法（block cipher algorithm），必须分组长度为 128bit 的分组加密算法
• 加密秘钥 K
• 计数器生成函数（counter generation function）
• 格式化函数（formatting function）
• MAC的长度 Tlen

3.2 输入（Input）

• N值（valid nonce N）
• 密文 C 及长度 Clen（purported ciphertext C of length Clen bits）
• 关联数据 A（valid associated data A）

3.3 输出 （Output）

• 明文 P 或者 INVALID（无效）

3.4 解密流程（Steps）

  解密流程其实就是加密流程的逆操作。

（1）若密文长度 Clen <= Tlen，则返回 INVALID；
（2）通过计数发生器，依次生成 Ctr0，Ctr1，…，Ctrm，其中 m = (Plen + 127 ) / 128；
（3）For j=0 to m, do Sj = CIPHK(Ctrj)） ，对 Ctrj 数据块依次进行加密，得到 Sj；
（4）将S1、S2，…，Sm拼接在一起，得到S，S = S1 || S2 || …|| Sm（注意；拼接的时候不包含S0）；
（5）P = MSBClen - Tlen( C ) ⊕ MSBClen - Tlen( S )；
（6）T = LSBTlen( C ) ⊕ MSBTlen( S0 )；
（7）通过格式化函数将（N, A, P）数据格式化为 B0、B1，…，Br 等

128bit

的密文块；
（8）对第1个密文块 B0 加密，得到密文块 P0；
（9）依次加密后面的所有密文块：For i = 1 to r, do P = CIPHK(Bi ⊕ Yi-1)；
（10）若 T != MSBTlen(Yr) 则返回 INVALID，否则返回明文 P

4. 总结

加密流程总结

• 首先将数据N，A，P格式化成block块，分别对各个块进行加密，取最后一个“密文块”的高Tlen字节作为Tag值（至此CCM方法计算的MAC值已经得到了）；
• 通过“计数生成函数”生成各Ctr0，Ctr1 … Ctrm值（生成器的种子就是nonce），然后分别对各个Ctrx值进行加密，得到密文Sx，将S1，S2 … Sm拼接组成S（特别注意：这里的S0）；
• 最后得到密文，密文是P和T按照一定的形式进行的拼接；
• CCM的加密过程是“先计算MAC，再进行加密”，符合“MTE”的模式；

解密流程总结

• 解密流程是加密流程的反操作。

附录：B0的构造规则

• Flag[bit7]：保留位，值为0
• Flag[bit8]：Adata，代表是否有附件数据AAD，0代表无附加数据，1代表有附加数据
• t：代表MAC的长度，MAC可能比较长，但是此处仅用了3bit表示MAC长度，所以规则上为了表示更惨的长度，所以有一个公式，即：（t - 2）/2；比如若置为 011b，则 (t - 2)/2 = 011b(3)，故 t = 8，即MAC的长度为8字节；
• q：代表有效数据长度的字节数（数据长度在B0中占多少个字节），比如 q - 1 = 110b（8），即q = 9，有效的数据长度在B0中占9个字节；
• Q：有效数据长度
• N：Nonce值

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【密码算法 之零】对称算法（DES,、3DES、 AES、DM5、HMAC、CMAC、SHAxx、SM3、SM4），非对称算法（RSA、ECC、ECDSA、ECDH、SM2、SM9…）