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

1. F9

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。

1. F9算法

输入

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

输出

1. 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

1. LibTomCrypt与F9

LibTomCrypt中的F9与标准文档中有一定的出入：

1. 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
2. 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);

 

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

// [功能]   初始化F9

1. cipher           // [输入] 密码算法
2. key                   // [输入] 密钥
3. keylen          // [输入] 密钥长度
4. 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

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

// [功能]   处理消息

1. in                 // [输入] 消息
2. inlen            // [输出] 消息长度
3. f9                // [输入/输出] F9状态

//备注： -

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

// [功能]   完成F9

1. out               // [输出] MAC
2. outlen          // [输入/输出] MAC长度
3. f9                // [输入/输出] f9的状态

//备注：-

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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

1. cipher           // [输入] 密码算法
2. key                   // [输入] 密钥
3. keylen          // [输入] 密钥长度
4. in                 // [输入] 消息
5. inlen            // [输出] 消息长度
6. out               // [输出] MAC
7. outlen          // [输入/输出] MAC长度

//备注： 主要是调用f9_process().

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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

1. cipher           // [输入] 密码算法
2. key                   // [输入] 密钥
3. keylen          // [输入] 密钥长度
4. in                 // [输入] 消息
5. inlen            // [输出] 消息长度
6. out               // [输出] MAC
7. outlen          // [输入/输出] MAC长度

//备注： 多段消息以NULL结束，多次调用f9_process().

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

// [功能]   对文件输出MAC

1. cipher           // [输入] 密码算法
2. key                   // [输入] 密钥
3. keylen          // [输入] 密钥长度
4. filename             // [输入] 文件名
5. out               // [输出] MAC
6. outlen          // [输入/输出] MAC长度

//备注： 读文件，然后调用f9_process().

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int f9_test(void);

// [功能]   测试函数

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