PKCS#5研究（合）
本文档对PKCS#5 v2.1（基于口令的密码标准）介绍的基于口令的密钥生成函数、基于口令的加密方案、基于口令的消息认证MAC方案进行简要分析记录。其核心为基于口令的密钥生成函数即将口令（Password）通过密钥导出函数KDF后生成主密钥，用于加密方案和消息认证方案。NIST SP 800-132（基于口令的密钥导出）也是参考PKCS5来制定的。
1. 综述
PKCS5 v2.1主要讲述了三个方面的内容：
- 基于口令的密钥导出函数PBKDF。
- PBKDF1：仅兼容PKCS5 v1.5用，使用HASH（MD2、MD5、SHA-1），导出密钥≤ hLen。
- PBKDF2：推荐使用，使用HMAC，导出密钥可很长。方案同NIST SP800-132的PBKDF。
- 基于口令的加密方案，用PBKDF导出密钥进行加密。
- PBES1：仅兼容PKCS5 v1.5，PBKDF1 + DES / RC2 – CBC
- PBES2：推荐使用，PBKDF2 + AES-CBC-Pad
- 基于口令的消息认证方案，用PBKDF导出密钥计算MAC。
主要涉及如下几个参数
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，无需保密，增加密文多变性，可为口令索引值或伪随机数等。
- c：迭代次数，口令导出密钥时的迭代次数，建议不小于1000，以适当增加使用者负担，但可以显著增加攻击者难度。
- DK：导出密钥。
- dkLen：导出密钥的字节长度。
- hLen：杂凑函数的输出字节长度。
口令的选择建议参考如下文档。
- NIST SP 800-63: Electronic Authentication Guideline: Recommendations of the National Institute of Standards and Technology, Appendix A, April 2006.
5. 基于口令的密钥导出函数
有两个基于口令的密钥导出函数PBKDF方案，如下表。
表5.1 基于口令的密钥导出函数PBKDF1和PBKDF2对比
（hLen为HASH函数的输出长度）
| 项目 |
PBKDF1 |
PBKDF2 |
| HASH函数 |
MD2 MD5 SHA-1 |
HMAC （HMAC底层使用SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512） |
| 导出密钥长度 |
≤ hLen |
≤ (232 – 1) × hLen |
| 使用 |
不推荐 仅兼容PKCS5 v1.5 |
推荐使用 |
| 对比NIST SP800-132 |
NIST SP800-132无PBKDF1函数 |
NIST SP800-132的PBKDF即PBKDF2函数 |
NIST SP800-132基于口令的密钥导出函数，是基于PKCS5得到。
5.1 PBKDF1
说明：NIST SP800-132基于口令的密钥导出函数不涉及此PBKDF1函数。
函数：DK = PBKDF1 (P, S, c, dkLen)
功能：基于口令的密钥导出函数PBKDF1
输入参数：
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
- dkLen：导出密钥DK的字节长度，≤ hLen。
内部参数：
- HASH：杂凑函数（为MD2、MD5、SHA-1）。
- hLen：杂凑函数的输出字节长度。
- MSB(L, M)：获取数据串M的高L字节。
返回数据：
- DK：导出密钥。
执行步骤：
步骤1：若dkLen > hLen，返回错误标识。
步骤2：T0 = P || S。
步骤3：for i = 1,2,..., c，执行
3.1 Ti = Hash (Ti-1)
步骤4：返回导出密钥DK = MSB (dkLen, Tc)。
5.2 PBKDF2
说明：NIST SP800-132基于口令的密钥导出函数PBKDF即此PBKDF2函数。
函数：DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)
功能：基于口令的密钥导出函数PBKDF2
输入参数：
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
- dkLen：导出密钥DK的字节长度，≤ (232 – 1) × hLen。
内部参数：
- PRF：伪随机函数，可以是HMAC-SHA-1、HMAC-SHA-224、HMAC-SHA-256、HMAC-SHA-384、HMAC-SHA-512。
- hLen：杂凑函数的输出字节长度。
- MSB(L, M)：获取数据串M的高L字节。
返回数据：
- DK：导出密钥。
执行步骤：
步骤1：若dkLen > (232 – 1) × hLen，返回错误标识。
步骤2：分组数l和最后一个分组的大小r是
，
，
（即r = dkLen mod hLen，但模值为0时修正为hLen）。
步骤3：for i = 1,2,..., l
3.1 Ti = 0，U0=S || Int(i)（Int(i)为i值的32比特大端表示）
3.2 for j = 1,2,..., c
3.2.1 Uj= PRF (P, Uj-1)
3.2.2 Ti = Ti⊕Uj
步骤4：返回DK= MSB(T1 || T2 || ... || Tl , dkLen)。
备注：PKCS5 v2.1 PBKDF2和NIST SP800-132 PBKDF中使用的PRF都是HMAC，而NIST SP800-108（普通密钥导出函数，非基于口令的密钥导出函数）中使用的PRF可以是HMAC或CMAC。
6. 基于口令的加密方案
有两个基于口令的加密PBES方案，如下表。
表5.1 基于口令的加密方案PBES1和PBES2对比
（hLen为HASH函数的输出长度）
| 项目 |
PBES1 |
PBES2 |
| 使用的PBKDF |
PBKDF1 |
PBKDF2 |
| 使用的密码算法 |
DES / RC2 – CBC模式 |
AES-CBC-Pad |
| 使用 |
不推荐 仅兼容PKCS5 v1.5 |
推荐使用 |
- AES-CBC-Pad是AES算法，密钥16/24/32字节，分组16字节，IV16字节。
- 根据PKCS#5的附录B.2.4 RC5-CBC-Pad 提到的RC5-128的填充方式，猜测AES-CBC-Pad的填充方式为：the padding string consists of 16-(||M||mod 16) octets each with value 16-(||M|| mod 16).
6.1 PBES1
PBES中对消息填充的方案（EM = M || PS）为：
- 记T = 8-(#M mod 8)，
- 填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。
- 例：若#M mod 8 = 7，PS = 01
- 例：若#M mod 8 = 0，PS = 08 08 08 08 08 08 08 08
- 此填充规则来至于RFC 1423。
6.1.1 PBES1-ENC
函数：C = PBES1-ENC (M, P, S, c)
功能：基于口令的加密方案PBES1的加密算法
输入参数：
- M：明文。
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
内部参数：
- ENC-CBC：加密函数CBC模式（如AES-ENC-CBC）。
返回数据：
- C：密文。
执行步骤：
步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF1 (P, S, c, 16)。
步骤2：生成加密密钥K（DK的高8字节）和初始化向量IV（DK的低8字节）：
K = DK[0...7], IV = DK[8...15] .
步骤3：生成编码后的消息（记T = 8-(#M mod 8)）
EM = M || PS，
其中填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。
- 例：若#M mod 8 = 7，PS = 01
- 例：若#M mod 8 = 0，PS = 08 08 08 08 08 08 08 08
步骤4：CBC加密：C = ENC-CBC(K, IV, EM)。
步骤5：输出密文C。
6.1.2 PBES1-DEC
函数：M = PBES1-DEC (C, P, S, c)
功能：基于口令的加密方案PBES1的解密算法
输入参数：
- C：密文。
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
内部参数：
- DEC-CBC：解密函数CBC模式（如AES-DEC-CBC）。
返回数据：
- M：明文。
执行步骤：
步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF1 (P, S, c, 16)。
步骤2：生成加密密钥K（DK的高8字节）和初始化向量IV（DK的低8字节）：
K = DK[0...7], IV = DK[8...15] .
步骤3：CBC解密：EM = DEC-CBC(K, IV, C)。
步骤4：解码生成编码后的消息
M || PS = EM。
记T 为EM最后一个字节的值，填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。如果PS不满足要求（1）：T=1,2,...,8；（2）PS的T个字节的值都为T；则填充数据格式验证失败，返回错误。
步骤5：输出明文M。
6.2 PBES2
PBES中对消息填充的方案（EM = M || PS）为：
- 记T = 8-(#M mod 8)，
- 填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。
- 例：若#M mod 8 = 7，PS = 01
- 例：若#M mod 8 = 0，PS = 08 08 08 08 08 08 08 08
- 此填充规则来至于RFC 1423。
6.2.1 PBES2-ENC
函数：C = PBES2-ENC (M, P, S, c)
功能：基于口令的加密方案PBES2的加密算法
输入参数：
- M：明文。
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
内部参数：
- dkLen：导出密钥DK的字节长度。
返回数据：
- C：密文。
执行步骤：（PKCS#5未详细描述dkLen、K和IV的获取，相关内容为揣测）
步骤1：根据选择的密码算法AES-CBC-Pad确定dkLen（自定义）。
步骤2：生成导出密钥，DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)。
步骤3：加密：C = AES-CBC-Pad.ENC(DK, M)。（涉及K和IV的划分，自定义）
步骤4：输出密文C。
根据PKCS#5的附录B.2.4 RC5-CBC-Pad 提到的RC5-128的填充方式，猜测AES-CBC-Pad的填充方式为：the padding string consists of 16-(||M||mod 16) octets each with value 16-(||M|| mod 16).
6.2.2 PBES2-DEC
函数：M = PBES2-DEC (C, P, S, c)
功能：基于口令的加密方案PBES2的解密算法
输入参数：
- C：密文。
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
内部参数：
- dkLen：导出密钥DK的字节长度。
返回数据：
- M：明文。
执行步骤：（PKCS#5未详细描述dkLen、K和IV的获取，相关内容为揣测）
步骤1：根据选择的密码算法AES-CBC-Pad确定dkLen（自定义）。
步骤2：生成导出密钥，DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)。
步骤3：解密：M = AES-CBC-Pad.DEC(DK, C)。（涉及K和IV的划分，自定义）
步骤4：输出明文M。
7. 基于口令的消息认证方案
仅有一个基于口令的消息认证方案PBMAC1，如下表。
表5.1 基于口令的加密方案PBES1和PBES2对比
（hLen为HASH函数的输出长度）
| 项目 |
PBMAC1. |
| 使用的PBKDF |
PBKDF2 |
| 使用的密码算法 |
HMAC （底层HASH使用SHA1和SHA2） |
| 使用 |
推荐 |
7.1 PBMAC1
7.1.1 PBMAC1 generation
函数：C = PBMAC1-Generate (M, P, S, c dkLen)
功能：基于口令的加密方案PBES1的加密算法
输入参数：
- M：消息。
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
- dkLen：导出密钥的字节长度。
内部参数：
- MAC：HMAC-SHA1或HMAC-SHA2。
返回数据：
- T：消息检验码。
执行步骤：
步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF:2 (P, S, c, dkLen)。
步骤2：生成消息检验码T = MAC(DK, M)。
步骤3：输出消息检验码T。
7.1.2 PBMAC1 verification
函数：C = PBMAC1-Verify (M, P, S, c, dkLen, T)
功能：基于口令的加密方案PBES1的加密算法
输入参数：
- M：消息。
- P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
- S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
- c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
- dkLen：导出密钥的字节长度。
- T：消息检验码。
内部参数：
- MAC：HMAC-SHA1或HMAC-SHA2。
返回数据：
- ret：TRUE为验证通过，FALSE为验证失败。
执行步骤：
步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)。
步骤2：生成消息检验码T1= MAC(DK, M)。
步骤3：比较T1和T，两者相同则返回ret = TRUE，否则返回ret = FALSE。