AES128-CMAC

peng010104發表於2024-06-11
Mac
CMAC

目錄

  • 簡介
  • CMAC的工作原理
  • CMAC示例

簡介

  • CMAC(Cipher-based MAC)，基於密碼的MAC，是一種基於密碼的MAC演算法，它基於塊密碼演算法（如AES）和一個金鑰來生成認證碼。
  • CMAC是一種對稱金鑰加密演算法,通常與對稱金鑰演算法（如AES）結合使用，以提供訊息的完整性和真實性驗證
  • 本文主要用於安全演算法驗證(基於AES)，故有些名詞可能不太準確，具體演算法可參考 https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc4493 .

CMAC
(以上來自維基百科: CMAC1或 CMAC2)

CMAC的工作原理

  1. 初始化：CMAC使用一個固定長度的金鑰來初始化。金鑰的長度通常與底層的對稱加密演算法（如AES）相關聯。

  2. 分塊處理：首先，將訊息分成多個固定長度的塊。如果訊息長度不是塊大小的倍數，則可以使用填充來將其填充到合適的大小。

  3. 生成子金鑰：**根據初始金鑰生成用於加密的子金鑰。通常，CMAC使用兩個不同的子金鑰，分別用於生成左右兩個分支的子金鑰。

  4. 生成MAC：

  • 左分支：將訊息的每個塊與左分支的子金鑰進行加密。對於最後一個塊，如果長度不夠，則使用填充。
  • 右分支：將左分支的結果進行異或運算，然後再與右分支的子金鑰進行加密。
  • 結果：將右分支的加密結果擷取指定長度作為最終的認證碼。
  1. 認證：將訊息的認證碼與生成的MAC進行比較。如果兩者相匹配，則訊息未被篡改，認證成功。
代號(Char) 含義(Meaning)
b 加密塊的位長（bit）
K 用於AES的金鑰
K1 子金鑰1，用於左分支
K2 子金鑰2，用於右分支
M 訊息
M_i 訊息塊i

CMAC示例

  1. 基於python的驗證程式碼如下:
  • 需要安裝Crypto庫 :
  • 若提示Crypto庫未找到，改下庫資料夾名稱：
    crypto
  • 程式碼如下

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
  1. 基於c/c++的驗證程式碼如下:
#include "aes.h"
#include "windows.h"
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

/***************************************************************************** 
 * @description    : 這部分需要自己實現，採用AES-ECB的演算法
 *
 * @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)
{
    // 實現 AES-128 加密，或者使用其他庫
    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    : 計算XOR的結果
 *
 * @param           ( unsigned char ) *a  需要計算的資料
 *
 * @param           ( unsigned char ) *b  異或的物件
 *
 * @param           ( unsigned char ) *out 輸出結果
 *
 * @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;
}
  1. 示例資料
    以下資料可供參考，用於驗證演算法準確性:
訊息(Seed/Message) 金鑰(Key) 結果(Result/Token)
100f0e0d0c0b0a090807060504030201 0102030405060708090a0b0c0d0e0f10 5becb7b36a0c7e019e9caf10f3971b00
0102030405060708090a0b0c0d0e0f10 100f0e0d0c0b0a090807060504030201 95c6652305da28e31d6a7ab99dfd2998
66B0CF31F56AC16ABF4610DF87A1AE20 3D2E6DE2A12517BAC5B31BBD0E7E3B54 0d4de052272cc4f56e2a4fbc8dcfa931