AEAD 模式

名词解释

AE：Authenticated encryption
AD：Associated-Data

本篇背景知识

CBC、各种加密模式在TLS协议中的运用 1、CTR模式

与Mac-then-Encrypt不同，AEAD是整个算法流程，同时保证了数据的私密性和完整性。回想MtE和EtM模式， mac和和cipher都是分别计算的；

CCM

CCM其实是Encrypt-and-Mac的变种
密码学相关的书籍是这样的定义CCM的：

其中，CMAC是这么定义的

这两张图乍一看感觉什么都没说。。。实际上，确实什么都没说。

RFC3610中定义了其具体实现，我们先看RFC中的描述，然后回过头再看流程图。

文字描述：

计算TAG

流程图中，Nonse+ADD+Plain，然后划分成不同的block，送入进行CMAC。
RFC3610中，详细描述了各个block是如何组成的。

  The first block B_0 is formatted as follows, where l(m) is encoded inmost-significant-byte first order:Octet Number   Contents------------   ---------0              Flags1 ... 15-L     Nonce N16-L ... 15    l(m)Within the first block B_0, the Flags field is formatted as follows:Bit Number   Contents----------   ----------------------7            Reserved (always zero)6            Adata5 ... 3      M'2 ... 0      L'

上面的描述，翻译成人话就是，首先，一个block是16字节
block0[0] = flag
block0[1 - ivlen-1] = iv
block0[:15] = len(input)

在说仔细点，就是block0的第一个字节是一个flag。第二个字节及其之后的至是IV，RFC规定，AEAD算法中，IV_len是12字节（4+8）。剩余字节，填写input的长度。input长度从最后面开始填。
举个例子，如果input是0xff字节，那么，block[15]就是0xff，如果input是0x1234字节，那么block0[14]=0x12, block[15]=0x34。

至于flag，
bit7保留，写死是0，bit6表示为1，表示有add，为0表示没有add。bit5-3，3个bit，
rfc上这么描述The M' field is set to (M-2)/2。

套用mbedtls源码描述，block0[0]是这么生成的，详细为什么这么搞，去看RFC3610。

    b[0] = 0;b[0] |= ( add_len > 0 ) << 6;b[0] |= ( ( tag_len - 2 ) / 2 ) << 3;b[0] |= （16 - 1 - iv_len） - 1;

至此，block0构造完成了。我们把block0送入AES进行加密。
至此入参IV被处理了。

接着处理add，TLS协议中，add为13字节的header，header的内容和上篇文章描述的相同，具体参考上篇文章。

   If 0 < l(a) < (2^16 - 2^8), then the length field is encoded as twooctets which contain the value l(a) in most-significant-byte firstorder.If (2^16 - 2^8) <= l(a) < 2^32, then the length field is encoded assix octets consisting of the octets 0xff, 0xfe, and four octetsencoding l(a) in most-significant-byte-first order.If 2^32 <= l(a) < 2^64, then the length field is encoded as tenoctets consisting of the octets 0xff, 0xff, and eight octets encodingl(a) in most-significant-byte-first order.

由于TLS协议送入的add是13字节，我们遵守第一条If 0 < l(a) < (2^16 - 2^8)的规矩和即可，即需要构造特殊的2字节的值来描述add长度。
我们定义block1[16]

        block1[0] =  ( add_len >> 8 ) & 0xFF ;block1[1] =  ( add_len      ) & 0xFF ;

block1[2:15]填写add的值即可，然后block1以CBC模式接着送入AES，换句话说，block1需要先与block0被加密后的结果亦或之后，再送入AES。

当然，如果add不止13字节，那么接着把剩余的add拷贝到blockx[0:15]中，进行CBC加密，后面的这些block不需要构造特殊的2字节的值了，直接每16字节送入AES-CBC处理，处理完成为止。只是TLS协议中，不会出现这种情况。
至此，入参add被处理完了。

接着处理input，input的处理比上面都简单，直接按照16字节分块，进行AES-CBC模式处理。

至此，Tag计算完成。

计算cipher text

cipher text分为两部分，
（1）：第一部分是把plain text送入ctr模式进行AES计算
（2）：第二部分就是Tag = ctr(Tag)。

plain txt的ctr模式的counter是这么组成了

      Octet Number   Contents------------   ---------0              Flags1 ... 15-L     Nonce N16-L ... 15    Counter iThe Flags field is formatted as follows:Bit Number   Contents----------   ----------------------7            Reserved (always zero)6            Reserved (always zero)5 ... 3      Zero2 ... 0      L'Another way say the same thing is:  Flags = L'.

换成c语言描述 ctr是这么组成的

    q = 16 - 1 - iv_len;ctr[0] = q - 1;memcpy( ctr + 1, iv, iv_len );memset( ctr + 1 + iv_len, 0, q );ctr[15] = 1;

最后，TAG在进行一次CTR模式加密，由于Tag长度是16，所以计算其实只需要一次，ctr的counter是0，秘钥也就是加密秘钥。

至此，CCM模式加密完成。

总结

CCM模式中，我们依稀还能看到类似AES-HMAC这样的形式，其中CCM模式中的Tag计算，和AES-HMAC的mac计算行为是相似的，只是CCM种是CBC模式的AES计算。这个TAG计算和我们的平时的AES-CBC是基本一样的，唯一不同的是，Tag只取最后一个block，而普通的AES-CBC看到是每个块都保留。所以由此可见，Tag的计算是不可逆的，从而，使得它有了mac的功能。

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