密码库LibTomCrypt学习记录——（2.13）分组密码算法的工作模式—

CCM是加密认证模式，CCM = CTR加密 + CBC-MAC认证。CCM模式看起来比较繁琐，尤其在参数的哦选择上，限制不断。很可能在将来某天被别的方法替代。

参考文献

NIST SP 800-38C.

加密与MAC生成流程

准备：

加密算法CIPHER
密钥K;
counter generation函数
formatting函数
MAC的比特长度Tlen

输入

随机数N
消息P，长度为Plen比特
关联数据（associated data）A

输出

密文 C（C包含了P对应的密文和MAC信息）

步骤

Step 1. 用formatting函数formatting_function (N, A, P) 生成B0, …,Br

Step 2. Y0= CIPHK(B0).

Step 3. For i = 1 to r, do Yi = CIPHK(Bi ⊕ Yi-1).

Step 4. T=MSBTlen(Yr).

Step 5. 用counter generation函数生成Ctr0, Ctr1, …, Ctrm, 其中m=向上取整(Plen/128).

Step 6. For j=0 to m, do Sj= CIPHK(Ctrj).

Step 7. S= S1 || S2 || …|| Sm.

Step 8. Return C=(P ⊕ MSBPlen(S)) || (T ⊕ MSBTlen(S0)).

其中：

counter generation函数和formatting函数后面介绍；

MSBPlen()表示取最高的Plenbit，其余类似。

加密与MAC生成流程示意图如下：

CCM的加密与MAC生成流程示意图

解密与验证流程

准备：

加密算法CIPHER
密钥K;
counter generation函数
formatting函数
MAC的比特长度Tlen

输入

随机数N
密文C，长度为Clen比特
关联数据（associated data）A

输出

明文 P（或者INVALID）

步骤

Step 1. If Clen≤Tlen, then return INVALID.

Step 2. 用counter generation函数生成Ctr0, Ctr1, …, Ctrm, 其中m=向上取整(Plen/128).

Step 3. For j=0 to m, do S j= CIPHK(Ctrj).

Step 4. S= S1 || S2 || …|| Sm.

Step 5. P=MSBClen-Tlen(C) ⊕ MSBClen-Tlen(S).

Step 6. T=LSBTlen(C) ⊕ MSBTlen(S0).

Step 7. 如果 N, A, P无效, then return INVALID,

否则，用formatting函数 formatting_function (N, A, P)生成B0, B1, …, Br.

Step 8. Set Y0= CIPHK(B0).

Step 9. For i = 1 to r, do Yj = CIPHK(Bi ⊕ Yi-1).

Step 10. If T≠MSBTlen(Yr), then return INVALID, else return P.

formatting_function

formatting_function(N, A, P)

B = B0 || B1 || … || Bm = Encode(N) || Encode(A)|| Encode(P)

输出参数N、A、P的含义

N为Nonce，长度为n字节
A为associated data ，长度为a字节
P为Message，长度为p字节
Q为p的定长表示，Q长度为q

这些长度的取值参见 NIST SP 800-38C A.1

生成值Bi的含义

B0 = Encode(N)，记录了Nounce N 和flag等信息的编码数据。
B1～Bu = Encode(A) = Encode(a) || A || 0...0，记录associated data A的编码数据
Bu+1～Bm = Encode(P) = P || 0...0，记录消息P的编码数据

第一个128比特块B0的进一步说明

B0 = Encode(N)记录了Nounce N 和flag等信息的编码数据。
B0（16字节）的结构以及B0的第一个字节Flag2（1字节）的结构如下图

B0	字节序号	0	1 …15-q	16-q … 15
	字节长度	1	15-q	q
	内容	Flags	N	Q

Flags	比特序号	7	6	5	4	3	2	1	0
	比特长度	Reserved	Adata	(t-2)/2			q-1
	含义与值	0	有无A

B1～Bu的进一步说明

B1～Bu = Encode(A)记录associated data A的编码数据

Encode(A) = Encode(a) || A || 0...0 ,

其中0...0表示末尾添加很多零,使得Encode(A)为16字节的倍数

	[a]16	2字节	if 0 < a < 2^16 - 2^8
Encode(a) =	0xff \|\| 0xfe \|\| [a]32	6字节	if 2^16 – 2^8 ≤ a < 2^32
	0xff \|\| 0xff \|\| [a]64	10字节	If 2^32 ≤ a < 2^64

[a]16表示把a写成16bit长，其余类似。

Bu+1～Bm的进一步说明

Bu+1～Bm = Encode(P)记录消息P的编码数据

Encode(P) = P || 0...0 ,

其中0...0表示末尾添加很多零,使得Encode(P)为16字节的倍数

counter_generation_function

生成counter block Ctr(i) （16字节），结构与formatting_function(N, A, P) 中的B0非常类似

Ctr(i)	字节序号	0	1 …15-q	16-q … 15
	字节长度	1	15-q	q
	内容	Flags	N	i

Flags	比特序号	7	6	5	4	3	2	1	0
	比特长度	Reserved	Reserved	000			q-1
	含义与值	0	0	000

这些长度的取值参见 NIST SP 800-38C A.1。

LibTomCrypt与CCM

LibTomCrypt中与CCM相关的信息如下：

首先，CCM没有类似别的算法实现中的ccm_state，因为CCM的实现只有一个函数。

在LibTomCrypt中CCM只有一个函数。

int ccm_memory(int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen, symmetric_key *uskey, const unsigned char *nonce, unsigned long noncelen, const unsigned char *header, unsigned long headerlen, unsigned char *pt, unsigned long ptlen, unsigned char *ct, unsigned char *tag, unsigned long *taglen, int direction)

──────────────────────────────────────

// [功能] 对一段数据进行CCM处理，得到密文和mac值

cipher // [输入] 密码算法
key // [输入] 密钥
keylen // [输入] 密钥长度
uskey // [输入] 扩展密钥（可选）
nonce // [输入] 随机数
noncelen // [输入] 随机数长度
header // [输入] Associated Data
headerlen // [输入] Associated Data长度
pt // [输入] 明文
ptlen // [输入] 明文长度
ct // [输出] 密文
tag // [输出] mac值
taglen // [输出] mac值长度
direction // [输入] 加密（0）还是解密（1）

//[备注] 适合消息不太长的场合。Ptlen决定了消息长度不能超过4G

──────────────────────────────────────

如果消息太长，或许需要考虑象omac等工作模式一样，在实际执行中按以下方式操作：

ccm_init(***);//Init需事先设置消息的总长度

while( want_send_message )

{

ccm_process (***);//除最后一次外，每次送入的消息长度必需为分组长度

}

ccm_done (***);//返回MAC值

//以上相应代码需另行完成

另外需要注意的是，代码中对各变量的长度设定可能与标准有微小的差异。

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