AES128-CMAC

CMAC

目录

• 简介
• CMAC的工作原理
• CMAC示例

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简介

• CMAC(Cipher-based MAC)，基于密码的MAC，是一种基于密码的MAC算法，它基于块密码算法（如AES）和一个密钥来生成认证码。
• CMAC是一种对称密钥加密算法,通常与对称密钥算法（如AES）结合使用，以提供消息的完整性和真实性验证
• 本文主要用于安全算法验证(基于AES)，故有些名词可能不太准确，具体算法可参考 https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc4493 .

(以上来自维基百科: CMAC1或 CMAC2)

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CMAC的工作原理

1. 初始化：CMAC使用一个固定长度的密钥来初始化。密钥的长度通常与底层的对称加密算法（如AES）相关联。

2. 分块处理：首先，将消息分成多个固定长度的块。如果消息长度不是块大小的倍数，则可以使用填充来将其填充到合适的大小。

3. 生成子密钥：**根据初始密钥生成用于加密的子密钥。通常，CMAC使用两个不同的子密钥，分别用于生成左右两个分支的子密钥。

4. 生成MAC：

• 左分支：将消息的每个块与左分支的子密钥进行加密。对于最后一个块，如果长度不够，则使用填充。
• 右分支：将左分支的结果进行异或运算，然后再与右分支的子密钥进行加密。
• 结果：将右分支的加密结果截取指定长度作为最终的认证码。

5. 认证：将消息的认证码与生成的MAC进行比较。如果两者相匹配，则消息未被篡改，认证成功。

代号(Char)	含义(Meaning)
b	加密块的位长（bit）
K	用于AES的密钥
K1	子密钥1，用于左分支
K2	子密钥2，用于右分支
M	消息
M_i	消息块i

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CMAC示例

1. 基于python的验证代码如下:

• 需要安装Crypto库 :
• 若提示Crypto库未找到，改下库文件夹名称：
  
• 代码如下

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Hash import CMAC
from binascii import hexlify, unhexlify
 
key = unhexlify('0102030405060708090a0b0c0d0e0f10')
#print("key:", key.decode())
 
seed = unhexlify('100f0e0d0c0b0a090807060504030201')
#print("seed:", seed.decode())
 
mac = CMAC.new(key,seed,ciphermod=AES)
print("AES_CMAC:",mac.hexdigest())

# result : 5becb7b36a0c7e019e9caf10f3971b00

2. 基于c/c++的验证代码如下:

#include "aes.h"
#include "windows.h"
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

/***************************************************************************** 
 * @description    : 这部分需要自己实现，采用AES-ECB的算法
 *
 * @param           ( uint8_t ) *key 
 *
 * @param           ( uint8_t ) *input 
 *
 * @param           ( uint8_t ) *output 
 *
 * @return          ( none )
 *****************************************************************************/
void AES_128(const uint8_t *key, const uint8_t *input, uint8_t *output)
{
    // 实现 AES-128 加密，或者使用其他库
    int a = 16;
    aes_encrypt_ecb(key, 16, input, 16, output, &a);
}

/* For CMAC Calculation */
const unsigned char const_Rb[16] = {
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x87};
const unsigned char const_Zero[16] = {
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};

/*****************************************************************************
 * @description    : 计算XOR的结果
 *
 * @param           ( unsigned char ) *a  需要计算的数据
 *
 * @param           ( unsigned char ) *b  异或的对象
 *
 * @param           ( unsigned char ) *out 输出结果
 *
 * @return          ( none )
 *****************************************************************************/
void xor_128(unsigned char *a, const unsigned char *b, unsigned char *out)
{
    int i;
    for (i = 0; i < 16; i++)
    {
        out[i] = a[i] ^ b[i];
    }
}

void print_hex(char *str, unsigned char *buf, int len)
{
    int i;

    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        if ((i % 16) == 0 && i != 0)
            printf(str);
        printf("%02x", buf[i]);
        if ((i % 4) == 3)
            printf(" ");
        if ((i % 16) == 15)
            printf("\n");
    }
    if ((i % 16) != 0)
        printf("\n");
}

void print128(unsigned char *bytes)
{
    int j;
    for (j = 0; j < 16; j++)
    {
        printf("%02x", bytes[j]);
        if ((j % 4) == 3)
            printf(" ");
    }
}

void leftshift_onebit(unsigned char *input, unsigned char *output)
{
    int i;
    unsigned char overflow = 0;

    for (i = 15; i >= 0; i--)
    {
        output[i] = input[i] << 1;
        output[i] |= overflow;
        overflow = (input[i] & 0x80) ? 1 : 0;
    }
    return;
}

void MAC_GenSubKey(unsigned char *key, unsigned char *K1, unsigned char *K2)
{
    unsigned char L[16] = {
        0,
    };
    unsigned char Z[16] = {
        0,
    };
    unsigned char tmp[16] = {
        0,
    };
    int i;

    for (i = 0; i < 16; i++)
        Z[i] = 0;

    AES_128(key, Z, L);

    if ((L[0] & 0x80) == 0)
    { /* If MSB(L) = 0, then K1 = L << 1 */
        leftshift_onebit(L, K1);
    }
    else
    { /* Else K1 = ( L << 1 ) (+) Rb */
        leftshift_onebit(L, tmp);
        xor_128(tmp, const_Rb, K1);
    }

    if ((K1[0] & 0x80) == 0)
    {
        leftshift_onebit(K1, K2);
    }
    else
    {
        leftshift_onebit(K1, tmp);
        xor_128(tmp, const_Rb, K2);
    }
    printf("\nLeft:\n");
    for (int j = 0; j < 15; j++)
    {
        printf("%02x", K1[j]);
    }
    printf("\nRight:\n");
    for (int j = 0; j < 15; j++)
    {
        printf("%02x", K1[j]);
    }
    printf("\n");
}

void padding(unsigned char *lastb, unsigned char *pad, int length)
{
    int j;

    /* original last block */
    for (j = 0; j < 16; j++)
    {
        if (j < length)
        {
            pad[j] = lastb[j];
        }
        else if (j == length)
        {
            pad[j] = 0x80;
        }
        else
        {
            pad[j] = 0x00;
        }
    }
}

void AES_CMAC(unsigned char *key, unsigned char *input, int length,
              unsigned char *mac)
{
    unsigned char X[16], Y[16], M_last[16], padded[16];
    unsigned char K1[16], K2[16];
    int n, i, flag;
    MAC_GenSubKey(key, K1, K2);

    n = (length + 15) / 16; /* n is number of rounds */

    if (n == 0)
    {
        n = 1;
        flag = 0;
    }
    else
    {
        if ((length % 16) == 0)
        { /* last block is a complete block */
            flag = 1;
        }
        else
        { /* last block is not complete block */
            flag = 0;
        }
    }

    if (flag)
    { /* last block is complete block */
        xor_128(&input[16 * (n - 1)], K1, M_last);
    }
    else
    {
        padding(&input[16 * (n - 1)], padded, length % 16);
        xor_128(padded, K2, M_last);
    }

    for (i = 0; i < 16; i++)
        X[i] = 0;
    for (i = 0; i < n - 1; i++)
    {
        xor_128(X, &input[16 * i], Y); /* Y := Mi (+) X  */
        AES_128(key, Y, X);            /* X := AES-128(KEY, Y); */
    }

    xor_128(X, M_last, Y);
    AES_128(key, Y, X);

    for (i = 0; i < 16; i++)
    {
        mac[i] = X[i];
    }
}

/**
 key : 100f0e0d0c0b0a090807060504030201 
 seed:0102030405060708090a0b0c0d0e0f10
 result: 95c6652305da28e31d6a7ab99dfd2998
 **/
int main()
{
    unsigned char L[16], K1[16], K2[16], T[16], TT[12];
    unsigned char M[16] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10};
    unsigned char key[16] = {
        0x10, 0x0F, 0x0E, 0x0D, 0x0C, 0x0B, 0x0A, 0x09, 0x08, 0x07, 0x06, 0x05, 0x04, 0x03, 0x02, 0x01};

    printf("--------------------------------------------------\n");
        printf("key:\n");
    for (int i = 0; i < 15; i++)
    {
        printf("%02x", key[i]);
    }
    printf("\n");
    MAC_GenSubKey(key, K1, K2);
    printf("M              ");
    print_hex("                ", M, 16);
    AES_CMAC(key, M, 16, T);
    printf("AES_CMAC       ");
    print128(T);
    printf("\n");

    printf("--------------------------------------------------\n");
    system("pause");
    return 0;
}

3. 示例数据
   以下数据可供参考，用于验证算法准确性:

消息(Seed/Message)	密钥(Key)	结果(Result/Token)
100f0e0d0c0b0a090807060504030201	0102030405060708090a0b0c0d0e0f10	5becb7b36a0c7e019e9caf10f3971b00
0102030405060708090a0b0c0d0e0f10	100f0e0d0c0b0a090807060504030201	95c6652305da28e31d6a7ab99dfd2998
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