密码库LibTomCrypt学习记录——（2.23）分组密码算法的工作模式——F9认证模式

最新推荐文章于 2024-04-19 19:52:38 发布

艾米的爸爸

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分类专栏： LibTomCrypt 密码密码技术与应用文章标签：加密工作模式认证完整性

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本文详细解析了3G安全体系中的F9完整性算法，包括其基于KASUMI算法的设计原理，以及在LibTomCrypt库中的具体实现过程。文章深入探讨了F9算法的输入输出、步骤流程，并对比了标准文档与实际代码实现的差异。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

F8和F9用在3G安全中的是机密性算法（f8）和完整性算法（f9），两者都是基于KASUMI算法构造。f8是变形的OFB模式的序列密码；而f9则是变形CBC-MAC模式的消息认证码。

KASUMI算法是日本三菱的Matsui等人基于MISTY算法设计的分组密码。分组大小64bit，密钥长度128bit。由于算法内部大量的使用了16bit的运算，因此最适合16bit处理器实现。

F9产生消息认证码mac。

F9算法

输入

COUNT 32 bit Frame dependent input COUNT-I[0]…COUNT-I[31]
FRESH 32 bit 随机数
DIRECTION 1 bit
IK 128bit 完整性密钥 Integrity key IK[0]…IK[127]
LENGTH * 消息长度
MESSAGE LENGTH 消息

输出

MAC 32bit 消息认证码

Step 1 初始化

A = 0 (A是64bit寄存器)

B = 0 (B是64bit寄存器)

KM = 0xAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA（128bit）

PS = COUNT || FRESH || MESSAGE || DIRECTION || 10…0（消息填充）

（末尾添加的0的个数为0-63，以保证PS的最后一个分组也是完整的）

记PS = PS0 || PS1 || PS2 || …. || PSBLOCKS-1

Step 2 循环迭代

For(i = 0;i< BLOCKS; i++)

{

}

Step 3 输出MAC

MAC = Left32Bit(B)

F9示意图

LibTomCrypt与F9

LibTomCrypt中的F9与标准文档中有一定的出入：

标准中PS = COUNT || FRESH || MESSAGE || DIRECTION || 10…0（消息填充），而代码中没有这一过程，也就是说调用者需自行组合好消息
代码中没有消息填充，或者可以理解为填充的全是零

涉及信息如下：

F9的结构体是

typedef struct {

unsigned char akey[MAXBLOCKSIZE]; // key XOR KM，用于最后一次加密

unsigned char ACC[MAXBLOCKSIZE]; // 标准文档中的寄存器 B

unsigned char IV[MAXBLOCKSIZE]; // 标准文档中的寄存器 A

symmetric_key key;

int cipher;

int buflen;

int keylen;

int blocksize;

} f9_state;

涉及函数

int f9_init(f9_state *f9, int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen);

int f9_process(f9_state *f9, const unsigned char *in, unsigned long inlen);

int f9_done(f9_state *f9, unsigned char *out, unsigned long *outlen);

int f9_memory(int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen, const unsigned char *in, unsigned long inlen, unsigned char *out, unsigned long *outlen) ;

int f9_memory_multi(int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen, unsigned char *out, unsigned long *outlen, const unsigned char *in, unsigned long inlen, ...) ;

int f9_file(int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen, const char *filename, unsigned char *out, unsigned long *outlen);

int f9_test(void);

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

int f9_init(f9_state *f9, int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen)

// [功能] 初始化F9

cipher // [输入] 密码算法
key // [输入] 密钥
keylen // [输入] 密钥长度
f9 // [输入/输出] F9状态

//备注：主要完成 1. 密钥扩展; 2. akey = key XOR 0xA…A; 3. 初始化其他相关参数

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

int f9_process(f9_state *f9, const unsigned char *in, unsigned long inlen)

// [功能] 处理消息

in // [输入] 消息
inlen // [输出] 消息长度
f9 // [输入/输出] F9状态

//备注： -

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

int f9_done(f9_state *f9, unsigned char *out, unsigned long *outlen);

// [功能] 完成F9

out // [输出] MAC
outlen // [输入/输出] MAC长度
f9 // [输入/输出] f9的状态

//备注：-

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

int f9_memory(int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen, const unsigned char *in, unsigned long inlen, unsigned char *out, unsigned long *outlen)

// [功能] 处理一段内存消息并输出MAC

cipher // [输入] 密码算法
key // [输入] 密钥
keylen // [输入] 密钥长度
in // [输入] 消息
inlen // [输出] 消息长度
out // [输出] MAC
outlen // [输入/输出] MAC长度

//备注：主要是调用f9_process().

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

int f9_memory_multi(int cipher, const unsigned char *key, unsigned long keylen, unsigned char *out, unsigned long *outlen, const unsigned char *in, unsigned long inlen, ...)

// [功能] 处理多段消息并输出MAC