js/go实现EAX对称加密详解

作者: 08f1b6c52d2a | 来源:发表于2018-10-18 19:51 被阅读0次

js/go实现EAX对称加密详解
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一、EAX简介

认证加密（AE）方案是一种通过消息M转换成密文CT为目标，保护M的隐私和真实性的对称密钥机制。近几年来，AE的出现成为公认的密码目标。认证加密方案，EAX，提供了一种基于认证加密的机制。

介绍EAX之前，先简单介绍一下OMAC。OMAC是一种基于块加密的消息认证，OMAC允许任意长度的消息，CBC MAC仅仅对于固定长度且是块长度的倍数的消息是安全的。CMAC是效率是高度优化的，与CBC MAC一样高效。OMAC是OMAC1和OMAC2的统称。下图是OMAC1和OMAC2的算法流程：

图1

图2

OMAC1算法流程分为预处理过程和Tag的生成。

预处理过程：

生成n位的0，让0 n 与K（加密密钥）做E (K, 0 n) 加密运算，生成L。若L的最高位是0，则左移一位，将最高位移出，低位最后一位补0。否则让次高位异或一个n位的常量，如下图3所示。如果n是128位则这个常量是0x00000000000000000000000000000087，如果n是64位则这个常量是0x000000000000001b。本文的代码中采用的是128位的常量，如下图4所示。上述操作后的的L命名为L.u，检验L.u的最高位，若为0则左移一位，否则，左移一位后与0x00000000000000000000000000000087这个常量异或操作，如下图5所示。

图3

图4

图5

Tag的生成：

将消息M分为M[1], M[2], ..., M[m]，其中M[i] (i = 1 ,..., m-1)是n位，M[m]可能是n位或者比n位少。生成n位的0记为Y[0]，对于i从1到m-1让K,M[i],Y[i-1]做E(K, M[i] xor Y[i-1]) 运算.，如下图6所示。若M[m]即M_last长度等于n时，则让M[m] xor Y[m-1] xor L.u ；否则先填充，然后做M[m] xor Y[m-1] xor L.u 2 运算。如图7中所示：

图6

图7

在双路机制中，我们通过数据提供双路认证，致力于提供加密和认证。通过类属成分提供的双路认证，一路用于构成隐私的加密机制，另一路是消息认证码（MAC）。加密和认证使用它们各自的一把私钥（这一点很重要哦）。EAX是一种使用随机数的AEAD模式，AEAD是基于区块的加密模式。nonce只要不重复即可，EAX提供了隐私和认证，使得攻击方不能生成新的并且有效的nonce+header+ciphertext（随机数+头部+密文）。EAX在功能上是灵活多变的，它支持任意长度的消息，也支持任意长度的nonce，任意长度的tag（认证码）都是有可能的，这样能够允许用户根据安全度选择他想要的安全级别。EAX的安全性意味着不可区分的随机位和认证码，因此安全级别极高。下图是EAX的认证流程，详细介绍可以参考：http://web.cs.ucdavis.edu/~rogaway/papers/eax.pdf，与这篇参考文献稍有差别是：本篇采用本篇中采用的是CMAC，它是一种基于密文的消息认证码。而下图所采用的是OMAC，但处理流程是类似的。

图8

图8中简单介绍其中N是nonce随机数，H是头部，M是消息体。加密时对N、H、M分别做OMAC0、OMAC1、OMAC2处理，对处理后的结果做一个异或运算得到Tag，然后取Tag的前T位，得到MAC认证码。解密过程类似于加密过程。

二、JS实现EAX介绍

①、项目地址：https://github.com/ying2025/websocket---vbs/blob/master/EAX/eax.js

②、测试地址：https://github.com/ying2025/websocket---vbs/blob/master/EAX/test.js

③、详解

a、文件内主要实现功能介绍：

eax.js主要实现eax算法以及CMAC实现算法；cryptojs-aes.min.js主要实现了AES加密算法；cryptojs-mode-ctr.min.js主要实现了CMAC的CRT模式加密。

b、EAX的实现

在eax.js里面包含了三个立即执行函数，其中包含ext的立即执行函数主要封装和实现了EAX和CMAC的一些函数，接下来主要讲解CMAC和EAX这两个立即执行函数。

CMAC部分：主要包括块加密函数、初始化创建CMAC、认证消息、MAC的生成

aesBlock函数主要实现16字节的块加密

图9

init函数主要使用加密的Key派生出认证的Key即生成MAC的Key，如图10中所示。当是CMAC1算法时，K2的生成采用

var K2 = K1.clone();

ext.dbl(K2);

当采用CMAC2时，K2的生成采用

var K2 = L.clone();

ext.inv(K2);

图10

update函数主要是将M分为M[1],M[2],...,M[m]，然后按照块加密方式对其加密，同时计数器累加，流程如图12所示：

图11

图12

EAX部分：初始化块加密对象、以0为初始值，应用CMAC对nonce、header、Msg进行认证计算出最后的消息认证码以及加密或者解密后的数据。

init函数主要使用key初始化加密对象，以及tag；reset函数主要初始化_mac，默认以1为初始值。如图13所示

图13

updateAAD主要应用CMAC对header进行认证；initCrypt函数主要初始化Tag，以0为初始值对nonce认证，认证的结果赋值给nonce，然后作为KCTR加密模块的初始向量，如下图14所示：

，图14

update函数实现主要功能：若是加密则数据的长度是buffer的长度，然后对数据进行加密处理；若是解密则数据长度减去tag的长度，然后对数据进行解密处理。其中判断self.xoredData是否等于undefined主要是concat函数使用对象不能为undefined，此处主要为了多个消息可以连续使用update函数

图15

finalize函数主要实现了加密MAC的生成以及最后一块Block的生成，若是加密则密文为前n-1块数据拼接最后一个区块的数据再拼接MAC认证码；否则，前n-1块的数据拼接最后一个区块的数据。

图16

prepareEncryption函数包括对nonce和header分别做CMAC0和CMAC1认证

图17

测试说明：

nodejs里面使用，在test.js文件test2函数，先运行立即执行函数，然后使用KeyBytes初始化eax加密对象，然后使用nonce和header认证nonce和header，然后对数据进行加密和认证，最后生成密文.如图18所示：

注意：使用let msgBytes4 = CryptoJS.lib.WordArray.create(new Uint8Array([12,234,34,23,34,45,34, 67, 89, 89, 23, 89,34,12,34,45]));解密后可能会有多余0，会造成误差，具体可以运行测试类运行试试，使用test2.js里面的test2()的函数你就会发现不一样之处。

图18

三、go实现EAX介绍

①、项目地址：https://github.com/halftwo/mangos/blob/master/eax/eax.go

②、测试地址：https://github.com/halftwo/mangos/blob/master/eax/eax_test.go

测试地址2： https://github.com/ying2025/Server/blob/master/eax/eax_test.go

说明：go实现EAX主要是熊家贵老师实现的，本人在熊家贵老师的基础上对测试类进行了简单封装。

③、详解

a、文件内主要实现功能介绍：

eax.go主要实现eax算法以及CMAC实现算法，还包括一些填充函数。

b、EAX的实现

CmacCtx结构体主要由16字节块加密对象cipher、_X主要用来保存M[m]与Y[i-1]异或的结果，count主要用来计数，主要实现CMAC的CRT模式；NewCmac函数：判断加密块对象是否是16字节的加密块，若是则初始化CmacCtx对象，否则，保存；Start函数：主要用于初始化_X,以0填充_X；blockXOR函数主要实现两个字节数组每一项异或运算。如下图19、20所示：