CCM加密学习

这几天终于搞定了AES硬件加密工具的使用，几种简单的加密模式也都实验通过了，比较麻烦的一种是CCM模式的加密，它是CTR加密模式和CMAC认证算法的混合使用。本文先介绍CCM模式的原理与基本实现，然后结合OpenSSL的加密库，了解一下具体过程，最后，在AES硬件加密引擎上实现。

 

CCM介绍

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，它就使用了AES-CCM模式。

CCM首先使用CBC-MAC模式来认证传输帧，然后使用CTR模式来加密帧。在这里，用于加密的初始化向量IV构成结构如下：

sequence counter表示在一个帧中16个字节块的数目. Flags域结构如下：

Bit7设置为０，Adata为１的话，表示此帧有额外的认证数据，为０则表示没有额外的认证数据。M为认证域长度经过转换后的结果.L固定为１. 在不同的安全模式下，初始化向量中的Flags值不同。从上表可以看出，只要有MIC的存在，那么Adata就必须为1.

 

 

首先引入两个CCM模式下的两个参数：

Ｌ　：　长度域，取值为2~8, OpenSSL中缺省为８

Ｍ　 :  tag的长度，可选范围为4,6,8,10,12,14,16.OpenSSL中缺省为12

 

 

接下来，将详细描述如何在硬件加密模块上实现CCM模式的认证和加密。

 

在硬件AES加密引擎上面，没有完整的实现CCM模式的加密，需要软硬件一起配合，才能实现CCM模式。

在CCM模式下CBC-MAC

对于待加密数据中的前数据块，采用CBC-MAC模式加密生成认证域，对于最后一个数据块，需要改为使用CBC模式加密。当最后一个数据块载入AES硬件加密引擎后，从AES读出的就是消息的MAC校验码。

在CCM模式下CTR

以下是认证执行的步骤。

１.　载入加密密钥

２.　载入全0的初始化向量

３.　构建一个16个字节的数组B,其第一个元素B[0]需要有如下的构造。

其中，Flag的值和安全级别有关系，具体关系间下表。

其他内容元素按规则来填充。

4.　按照16字节加密块来划分，第一个块填充初始化向量，第二个块填充Adata相关内容，第三个块(或者更多块)填充明文内容

5. 先按照CBC_MAC模式加密前N-1个块，最后一个数据块使用CBC模式来加密.当认证域长度为16时，CBC_MAC加密后的内容是不变的，如果不为16，则高M字节内容保持不变，其余字节变为0.

6. 等待加密完成后，从结果中，读出Mval个字节到Cstate就可以了。

函数头说明：

 

void Test_SSP_CCM_Auth (uint8 Mval,     // 认证域字节长度　[0,4,8,16]

                                     uint8 *N,       // N 指向13字节的随机数

                                     uint8 *M, 　　// M 指向明文的指针

                                     uint16 len_m, // len_m 明文长度

                                     uint8 *A,       // A 指向Adata的指针
                                          uint16 len_a,  // len_a 数据长度

                                     uint8 *AesKey,  //AesKey 指向密钥的指针

                                     uint8 *Cstate)   //输出Cstate 缓存

 

 

加密步骤：

CCM模式下的加密，需要使用前面生产的Cstate值，具体使用步骤如下：

加密也需要初始化向量，其构成如下：

当在OFB模式，将认证域加密生产U时，CTR的值必须为０,当在CTR模式，CTR的值必须不为0

1. 创建A块，并按照规则来填充A[0]，当做后的IV

2. 创建T块，将Cstate的前Mval填充到T中。

３.分配缓存，用于填充输入明文，不足16字节的补0.

4. 以OFB模式，将明文T加密输出到Cstate[也叫做U]。当认证域长度为16时，上传缓存内容保持不变，如果不为16，则上传内容的高M位保持不变，其余字节变为0.结果为U.

5. 以CTR模式，将IV最高字节设置为１，重新载入IV,然后加密明文缓存块

6. 最后的结果，是输出的密文块加上Ｕ,都是16字节对齐的。

void Test_SSP_CCM_Encrypt (uint8 Mval,   //认证域字节长度　[0,4,8,16]

                                         uint8 *N,     //指向13个字节的随机数指针

                                         uint8 *M,    //指向待加密明文　(明文输出也在这里，多加16个字节的空间)

                                         uint16 len_m,    //待加密明文长度
                                              uint8 *AesKey,  //AekKey密钥指针

                                         uint8 *Cstate)   //明文的认证域内容

 

从目前浅显的理解上来看，CCM的认证和加密好像是相互独立设置的，从逻辑上，一段明文进来，先通过认证，产生一个tag，在后续加密时使用此Tag和IV生成一个新的校验U.原负载明文填充满后，通过CTR模式来加密数据，在密文的后面附上新的校验码Ｕ，这样，就完成了校验和加密的过程。

---------------今天就先介绍到这里，还有解密过程和代码没贴上来,周一来了再贴-----------------------

 

-------------------周一来了，整理剩下的代码---------------------------------------------------

解密的过程和加密的相反，先解密，再解认证。

void Test_SSP_CCM_Decrypt (uint8 Mval,　　　　　//认证域长度

　　　　　　　　　　　　　　　　uint8 *N, 　　　　　 //随机数

　　　　　　　　　　　　　　　　uint8 *C,　　　　　　//待解密密文指针

　　　　　　　　　　　　　　　　uint16 len_c,    //待解密密文长度
                                               uint8 *AesKey,        //解密密钥

　　　　　　　　　　　　　　　　uint8 *Cstate)         //认证域内容

解密流程：

１.　先利用随机数，构造A向量

2.   从待解密密文中提取最后Mval字节（补全16个字节）到U向量中

３.　通过OFB模式，来将U解密成T

4.   通过CTR模式，将密文解密成明文

５.　最后，将Ｔ附加在明文后

 

鉴权的过程是利用上述解密出来的明文，全场为len_c,认证域长度位为Mval,位置在字节的尾端，鉴权就是把解密的明文，通过(len_c-Mval)长度鉴权计算，把得到的结果和解密输出的结果进行对比，如果相同，则鉴权成功，否则，鉴权失败。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考资料：openssl学习之ccm，gcm 模式