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openssl学习之ccm,gcm 模式

 lifei_szdz 2017-08-30

openssl中添加了对AES ccm 和gcm模式的支持。下面的内容主要是对这两个模式相关资料的收集以及整理。

一,CCM

CCM (counter with CBC-MAC)定义在分组长度为128位的加密算法中,如,AES 的分组长度为128。组成AES-CCM算法的关键组成是CTR工作模式以及CMAC认证算法。Wifi 的WPE协议中使用了AES-CCM。在HMAC中我们介绍CCM是属于一种E&M(认证并且加密),首先我们来看一下AES-CCM模式的输入输出。

首先介绍两个参数设置:

L:长度域,取值为2~8 ,openssl中缺省的为8。

M:tag的长度,合法的值为:4,6,8,10,12,14 和16。openssl中缺省的为12

key 16,24,32
None 15-L
Message to authenticate and encrypt len(Msg)
Additional authenticated data len(AAD)
其中对消息长度有:0<= len(Msg)<= 2^(8L);

对附加数据长度有:0<= len(AAD)< 2^64;

  1. /* Simple AES CCM test program, uses the same NIST data used for the FIPS 
  2.  * self test but uses the application level EVP APIs. 
  3.  */  
  4. #include <stdio.h>  
  5. #include <openssl/bio.h>  
  6. #include <openssl/evp.h>  
  7.   
  8. /* AES-CCM test data from NIST public test vectors */  
  9.   
  10. static const unsigned char ccm_key[] = {  
  11.     0xce,0xb0,0x09,0xae,0xa4,0x45,0x44,0x51,0xfe,0xad,0xf0,0xe6,  
  12.     0xb3,0x6f,0x45,0x55,0x5d,0xd0,0x47,0x23,0xba,0xa4,0x48,0xe8  
  13. };  
  14. // 随机数,每次加密针对相同的KEY使用不同的NONCE。否则会破坏CCM模式的安全性(RFC3610)  
  15. static const unsigned char ccm_nonce[] = {  
  16.     0x76,0x40,0x43,0xc4,0x94,0x60,0xb7  
  17. };  
  18. //附加数据  
  19. static const unsigned char ccm_adata[] = {  
  20.     0x6e,0x80,0xdd,0x7f,0x1b,0xad,0xf3,0xa1,0xc9,0xab,0x25,0xc7,  
  21.     0x5f,0x10,0xbd,0xe7,0x8c,0x23,0xfa,0x0e,0xb8,0xf9,0xaa,0xa5,  
  22.     0x3a,0xde,0xfb,0xf4,0xcb,0xf7,0x8f,0xe4  
  23. };  
  24. //plaintext 表示明文  
  25. static const unsigned char ccm_pt[] = {  
  26.     0xc8,0xd2,0x75,0xf9,0x19,0xe1,0x7d,0x7f,0xe6,0x9c,0x2a,0x1f,  
  27.     0x58,0x93,0x9d,0xfe,0x4d,0x40,0x37,0x91,0xb5,0xdf,0x13,0x10  
  28. };  
  29. //ciphertext 表示密文  
  30. static const unsigned char ccm_ct[] = {  
  31.     0x8a,0x0f,0x3d,0x82,0x29,0xe4,0x8e,0x74,0x87,0xfd,0x95,0xa2,  
  32.     0x8a,0xd3,0x92,0xc8,0x0b,0x36,0x81,0xd4,0xfb,0xc7,0xbb,0xfd  
  33. };  
  34. //tag 表示tag数据  
  35. static const unsigned char ccm_tag[] = {  
  36.     0x2d,0xd6,0xef,0x1c,0x45,0xd4,0xcc,0xb7,0x23,0xdc,0x07,0x44,  
  37.     0x14,0xdb,0x50,0x6d  
  38. };  
  39.   
  40. void aes_ccm_encrypt(void)  
  41. {  
  42.     EVP_CIPHER_CTX *ctx;  
  43.     int outlen, tmplen;  
  44.     unsigned char outbuf[1024];  
  45.     printf("AES CCM Encrypt:\n");  
  46.     printf("Plaintext:\n");  
  47.     BIO_dump_fp(stdout, ccm_pt, sizeof(ccm_pt));  
  48.     ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();  
  49.     /* Set cipher type and mode */  
  50.     EVP_EncryptInit_ex(ctx, EVP_aes_192_ccm(), NULL, NULL, NULL);  
  51.     /* Set nonce length if default 96 bits is not appropriate */  
  52.     EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_CCM_SET_IVLEN, sizeof(ccm_nonce), NULL);  
  53.     /* Set tag length */  
  54.     EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_CCM_SET_TAG, sizeof(ccm_tag), NULL);  
  55.     /* Initialise key and IV */  
  56.     EVP_EncryptInit_ex(ctx, NULL, NULL, ccm_key, ccm_nonce);  
  57.     /* Set plaintext length: only needed if AAD is used*/  
  58.         //输入输出需设置为NULL  
  59.     EVP_EncryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, NULL, sizeof(ccm_pt));  
  60.     /* Zero or one call to specify any AAD */  
  61.         //设置AAD,out参数需设置为NULL  
  62.     EVP_EncryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, ccm_adata, sizeof(ccm_adata));  
  63.     /* Encrypt plaintext: can only be called once */  
  64.     EVP_EncryptUpdate(ctx, outbuf, &outlen, ccm_pt, sizeof(ccm_pt));  
  65.     /* Output encrypted block */  
  66.     printf("Ciphertext:\n");  
  67.     BIO_dump_fp(stdout, outbuf, outlen);  
  68.     /* Finalise: note get no output for CCM */  
  69.     EVP_EncryptFinal_ex(ctx, outbuf, &outlen);  
  70.     /* Get tag */  
  71.     EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_CCM_GET_TAG, 16, outbuf);  
  72.     /* Output tag */  
  73.     printf("Tag:\n");  
  74.     BIO_dump_fp(stdout, outbuf, 16);  
  75.     EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);  
  76. }  
  77.   
  78. void aes_ccm_decrypt(void)  
  79. {  
  80.     EVP_CIPHER_CTX *ctx;  
  81.     int outlen, tmplen, rv;  
  82.     unsigned char outbuf[1024];  
  83.     printf("AES CCM Derypt:\n");  
  84.     printf("Ciphertext:\n");  
  85.     BIO_dump_fp(stdout, ccm_ct, sizeof(ccm_ct));  
  86.     ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();  
  87.     /* Select cipher */  
  88.     EVP_DecryptInit_ex(ctx, EVP_aes_192_ccm(), NULL, NULL, NULL);  
  89.     /* Set nonce length, omit for 96 bits */  
  90.     EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_CCM_SET_IVLEN, sizeof(ccm_nonce), NULL);  
  91.     /* Set expected tag value */  
  92.     EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_CCM_SET_TAG,  
  93.                     sizeof(ccm_tag), (void *)ccm_tag);  
  94.     /* Specify key and IV */  
  95.     EVP_DecryptInit_ex(ctx, NULL, NULL, ccm_key, ccm_nonce);  
  96.     /* Set ciphertext length: only needed if we have AAD */  
  97.     EVP_DecryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, NULL, sizeof(ccm_ct));  
  98.     /* Zero or one call to specify any AAD */  
  99.     EVP_DecryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, ccm_adata, sizeof(ccm_adata));  
  100.     /* Decrypt plaintext, verify tag: can only be called once */  
  101.     rv = EVP_DecryptUpdate(ctx, outbuf, &outlen, ccm_ct, sizeof(ccm_ct));  
  102.     /* Output decrypted block: if tag verify failed we get nothing */  
  103.     if (rv > 0)  
  104.     {  
  105.         printf("Plaintext:\n");  
  106.         BIO_dump_fp(stdout, outbuf, outlen);  
  107.     }  
  108.     else  
  109.         printf("Plaintext not available: tag verify failed.\n");  
  110.     EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);  
  111. }  
  112.   
  113. int main(int argc, char **argv)  
  114. {  
  115.     aes_ccm_encrypt();  
  116.     aes_ccm_decrypt();  
  117. }  


2,GCM 

GCM基于并行化设计,因此可以提供高效的吞吐率和低成本、低时延。本质是消息在变形的CTR模式下加密,密文结果与密钥以及消息长度在GF(2^128)域上相乘,计算流程如下所示。其输入输出和CCM基本一致。CCM和GCM的具体计算过程可以参看《密码学与网络安全》第五版,书中有详细的介绍。FRC5288 中介绍了TLS1.2 中的GCM应用。下面贴出openssl中AES-GCM的实例。


  1. /* Simple AES GCM test program, uses the same NIST data used for the FIPS 
  2.  * self test but uses the application level EVP APIs. 
  3.  */  
  4. #include <stdio.h>  
  5. #include <openssl/bio.h>  
  6. #include <openssl/evp.h>  
  7.   
  8. /* AES-GCM test data from NIST public test vectors */  
  9.   
  10. static const unsigned char gcm_key[] = {  
  11.         0xee,0xbc,0x1f,0x57,0x48,0x7f,0x51,0x92,0x1c,0x04,0x65,0x66,  
  12.         0x5f,0x8a,0xe6,0xd1,0x65,0x8b,0xb2,0x6d,0xe6,0xf8,0xa0,0x69,  
  13.         0xa3,0x52,0x02,0x93,0xa5,0x72,0x07,0x8f  
  14. };  
  15.   
  16. static const unsigned char gcm_iv[] = {  
  17.         0x99,0xaa,0x3e,0x68,0xed,0x81,0x73,0xa0,0xee,0xd0,0x66,0x84  
  18. };  
  19.   
  20. static const unsigned char gcm_pt[] = {  
  21.         0xf5,0x6e,0x87,0x05,0x5b,0xc3,0x2d,0x0e,0xeb,0x31,0xb2,0xea,  
  22.         0xcc,0x2b,0xf2,0xa5  
  23. };  
  24.   
  25. static const unsigned char gcm_aad[] = {  
  26.         0x4d,0x23,0xc3,0xce,0xc3,0x34,0xb4,0x9b,0xdb,0x37,0x0c,0x43,  
  27.         0x7f,0xec,0x78,0xde  
  28. };  
  29.   
  30. static const unsigned char gcm_ct[] = {  
  31.         0xf7,0x26,0x44,0x13,0xa8,0x4c,0x0e,0x7c,0xd5,0x36,0x86,0x7e,  
  32.         0xb9,0xf2,0x17,0x36  
  33. };  
  34.   
  35. static const unsigned char gcm_tag[] = {  
  36.         0x67,0xba,0x05,0x10,0x26,0x2a,0xe4,0x87,0xd7,0x37,0xee,0x62,  
  37.         0x98,0xf7,0x7e,0x0c  
  38. };  
  39.   
  40. void aes_gcm_encrypt(void)  
  41. {  
  42.         EVP_CIPHER_CTX *ctx;  
  43.         int outlen, tmplen;  
  44.         unsigned char outbuf[1024];  
  45.         printf("AES GCM Encrypt:\n");  
  46.         printf("Plaintext:\n");  
  47.         BIO_dump_fp(stdout, gcm_pt, sizeof(gcm_pt));  
  48.         ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();  
  49.         /* Set cipher type and mode */  
  50.         EVP_EncryptInit_ex(ctx, EVP_aes_256_gcm(), NULL, NULL, NULL);  
  51.         /* Set IV length if default 96 bits is not appropriate */  
  52.         EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_GCM_SET_IVLEN, sizeof(gcm_iv), NULL);  
  53.         /* Initialise key and IV */  
  54.         EVP_EncryptInit_ex(ctx, NULL, NULL, gcm_key, gcm_iv);  
  55.         /* Zero or more calls to specify any AAD */  
  56.         EVP_EncryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, gcm_aad, sizeof(gcm_aad));  
  57.         /* Encrypt plaintext */  
  58.         EVP_EncryptUpdate(ctx, outbuf, &outlen, gcm_pt, sizeof(gcm_pt));  
  59.         /* Output encrypted block */  
  60.         printf("Ciphertext:\n");  
  61.         BIO_dump_fp(stdout, outbuf, outlen);  
  62.         /* Finalise: note get no output for GCM */  
  63.         EVP_EncryptFinal_ex(ctx, outbuf, &outlen);  
  64.         /* Get tag */  
  65.         EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_GCM_GET_TAG, 16, outbuf);  
  66.         /* Output tag */  
  67.         printf("Tag:\n");  
  68.         BIO_dump_fp(stdout, outbuf, 16);  
  69.         EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);  
  70. }  
  71.   
  72. void aes_gcm_decrypt(void)  
  73. {  
  74.         EVP_CIPHER_CTX *ctx;  
  75.         int outlen, tmplen, rv;  
  76.         unsigned char outbuf[1024];  
  77.         printf("AES GCM Derypt:\n");  
  78.         printf("Ciphertext:\n");  
  79.         BIO_dump_fp(stdout, gcm_ct, sizeof(gcm_ct));  
  80.         ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();  
  81.         /* Select cipher */  
  82.         EVP_DecryptInit_ex(ctx, EVP_aes_256_gcm(), NULL, NULL, NULL);  
  83.         /* Set IV length, omit for 96 bits */  
  84.         EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_GCM_SET_IVLEN, sizeof(gcm_iv), NULL);  
  85.         /* Specify key and IV */  
  86.         EVP_DecryptInit_ex(ctx, NULL, NULL, gcm_key, gcm_iv);  
  87. #if 0  
  88.         /* Set expected tag value. A restriction in OpenSSL 1.0.1c and earlier 
  89.          * required the tag before any AAD or ciphertext */  
  90.         EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_GCM_SET_TAG, sizeof(gcm_tag), gcm_tag);  
  91. #endif  
  92.         /* Zero or more calls to specify any AAD */  
  93.         EVP_DecryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, gcm_aad, sizeof(gcm_aad));  
  94.         /* Decrypt plaintext */  
  95.         EVP_DecryptUpdate(ctx, outbuf, &outlen, gcm_ct, sizeof(gcm_ct));  
  96.         /* Output decrypted block */  
  97.         printf("Plaintext:\n");  
  98.         BIO_dump_fp(stdout, outbuf, outlen);  
  99.         /* Set expected tag value. Works in OpenSSL 1.0.1d and later */  
  100.         EVP_CIPHER_CTX_ctrl(ctx, EVP_CTRL_GCM_SET_TAG, sizeof(gcm_tag), gcm_tag);  
  101.         /* Finalise: note get no output for GCM */  
  102.         rv = EVP_DecryptFinal_ex(ctx, outbuf, &outlen);  
  103.         /* Print out return value. If this is not successful authentication 
  104.          * failed and plaintext is not trustworthy. 
  105.          */  
  106.         printf("Tag Verify %s\n", rv > 0 ? "Successful!" : "Failed!");  
  107.         EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);  
  108.  }  
  109.   
  110. int main(int argc, char **argv)  
  111. {  
  112.         aes_gcm_encrypt();  
  113.         aes_gcm_decrypt();  
  114.  }  

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