Kan en MAC bygges med blokcifre?

/ / Udgivet i Cybersecurity, Grundlæggende om EITC/IS/CCF klassisk kryptografi, Anvendelser af blokkoder, Driftsformer for blokcifre

En Message Authentication Code (MAC) kan faktisk konstrueres ved hjælp af blokcifre. En MAC er en kryptografisk kontrolsum, der giver integritets- og ægthedsgarantier på en meddelelse. Det sikrer, at meddelelsen ikke er blevet ændret, og at den stammer fra en legitim afsender, der er i besiddelse af den hemmelige nøgle. Blokcifre, som er deterministiske algoritmer, der opererer på datablokke i fast størrelse med en symmetrisk nøgle, kan bruges til at bygge MAC'er gennem forskellige konstruktioner.

Forstå blokcifre

Blokcifre opererer på blokke af almindelig tekst i fast størrelse, typisk 64 eller 128 bit, og transformerer dem til chiffertekstblokke af samme størrelse ved hjælp af en symmetrisk nøgle. Almindelige eksempler på blokcifre omfatter Data Encryption Standard (DES), Triple DES (3DES) og Advanced Encryption Standard (AES). Blokcifre kan bruges i forskellige driftsformer til at kryptere data af vilkårlig længde og til at opnå forskellige kryptografiske mål.

MAC-konstruktion ved hjælp af blokcifre

Der findes adskillige metoder til at bygge en MAC ved hjælp af blokcifre, som hver især udnytter chifferens egenskaber for at sikre meddelelsens integritet og ægthed. Bemærkelsesværdige metoder omfatter CBC-MAC, HMAC og CMAC.

CBC-MAC (Cipher Block Chaining Message Authentication Code)

CBC-MAC er en af ​​de enkleste og mest ligetil metoder til at konstruere en MAC ved hjælp af en blokcifre. Den anvender operationstilstanden Cipher Block Chaining (CBC), som almindeligvis bruges til kryptering. I CBC-tilstand XOR-behandles hver almindelig tekstblok med den forrige chiffertekstblok, før den krypteres. Til MAC-generering bruges den endelige chiffertekstblok som MAC.

Konstruktionstrin:

1. Initialisering: Vælg en symmetrisk nøgle K og en initial vektor (IV), typisk sat til nul.
2. Blokvis behandling: For en besked M opdelt i blokke M_1, M_2, \ldots, M_n:
- C_0 = IV
- Til i = 1 til n:
- C_i = E_K(C_{i-1} \oplus M_i)
3. MAC Generation: MAC'en er den sidste chiffertekstblok C_n.

Eksempel:

Overvej en besked M opdelt i tre blokke M_1, M_2, M_3. Ved hjælp af en blokcifre E med nøgle K:

- C_0 = IV
- C_1 = E_K(C_0 \plus M_1)
- C_2 = E_K(C_1 \plus M_2)
- C_3 = E_K(C_2 \plus M_3)

MAC er C_3.

Sikkerhedsovervejelser:

Mens CBC-MAC er sikker til beskeder med fast længde, er den sårbar over for visse angreb, når den bruges sammen med beskeder med variabel længde. For at afbøde dette, anvendes variationer såsom Length-Prefix CBC-MAC eller CMAC.

CMAC (Cipher-based Message Authentication Code)

CMAC er en forbedring i forhold til CBC-MAC og adresserer dens sårbarheder. Den er standardiseret i NIST SP 800-38B og er sikker til meddelelser af vilkårlig længde.

Konstruktionstrin:

1. Nøgleafledning: Udled to undernøgler K_1 og K_2 fra hovednøglen K ved hjælp af blokchifferet.
2. polstring: Hvis meddelelseslængden ikke er et multiplum af blokstørrelsen, skal du udfylde den sidste blok.
3. Blokvis behandling: For en besked M opdelt i blokke M_1, M_2, \ldots, M_{n-1}, M_n:
- C_0 = IV
- Til i = 1 til n-1:
- C_i = E_K(C_{i-1} \oplus M_i)
– Til sidste blok M_n:
- Hvis M_n er komplet, T = M_n \oplus K_1
- Hvis M_n er polstret, T = M_n \oplus K_2
- C_n = E_K(C_{n-1} \oplus T)
4. MAC Generation: MAC er C_n.

Eksempel:

Overvej en besked M opdelt i tre blokke M_1, M_2, M_3. Ved hjælp af en blokcifre E med nøgle K:

– Udled K_1 og K_2.
- C_0 = IV
- C_1 = E_K(C_0 \plus M_1)
- C_2 = E_K(C_1 \plus M_2)
- Til M_3:
– Hvis fuldført, T = M_3 \ plus K_1
– Hvis polstret, T = M_3 \ plus K_2
- C_3 = E_K(C_2 \oplus T)

MAC er C_3.

HMAC (hash-baseret meddelelsesgodkendelseskode)

Selvom HMAC primært bruger hash-funktioner, kan den bygges ved hjælp af blok-ciffer ved at anvende Davies-Meyer-konstruktionen, som gør en blok-ciffer til en hash-funktion. HMAC er meget udbredt på grund af dets enkelhed og stærke sikkerhedsgarantier.

Konstruktionstrin:

1. Nøgleforberedelse: Hvis nøglen K er længere end blokstørrelsen, hash den for at få en nøgle i den passende længde. Hvis den er kortere, skal du fylde den med nuller.
2. Indre Hash: Beregn hashen for den indre polstrede nøgle sammenkædet med beskeden.
3. Ydre Hash: Beregn hashen for den ydre polstrede nøgle sammenkædet med resultatet af den indre hash.
4. MAC Generation: MAC'en er resultatet af den ydre hash.

Eksempel:

Overvej en besked M og en nøgle K med blokstørrelse b:

- Hvis K er længere end b, K = H(K).
- Hvis K er kortere end b, pude K med nuller.
– Beregn K_{ipad} = K \oplus \text{0x36} \cdots \text{0x36}.
– Beregn K_{opad} = K \oplus \text{0x5C} \cdots \text{0x5C}.
– Indre hash: H_{indre} = H(K_{ipad} \| M).
– Ydre hash: H_{ydre} = H(K_{opad} \| H_{indre}).

MAC er H_{ydre}.

Sikkerhed Analyse

Sikkerheden af ​​en MAC konstrueret ved hjælp af blokcifre afhænger af styrken af ​​den underliggende blokcifre og konstruktionsmetoden. CBC-MAC, CMAC og HMAC (med blokcifre) tilbyder hver især forskellige sikkerhedsegenskaber og effektivitetsafvejninger.

- CBC-MAC: Sikker til beskeder med fast længde, men sårbar over for angreb med forlængelse af længde. Varianter som Length-Prefix CBC-MAC eller CMAC anbefales til meddelelser med variabel længde.
- CMAC: Giver stærke sikkerhedsgarantier for beskeder af vilkårlig længde og er modstandsdygtig over for forskellige angreb.
- HMAC: Tilbyder robust sikkerhed ved at kombinere egenskaberne af hash-funktioner og blokcifre, hvilket gør den velegnet til en bred vifte af applikationer.

Praktiske anvendelser

MAC'er konstrueret ved hjælp af blokcifre anvendes i forskellige applikationer for at sikre dataintegritet og ægthed. Eksempler omfatter:

- Finansielle transaktioner: Sikring af integriteten af ​​transaktionsdata i banksystemer.
- Sikker kommunikation: Autentificering af meddelelser i sikre kommunikationsprotokoller som TLS/SSL.
- Digitale signaturer: Giver et ekstra lag af sikkerhed til digitale signaturer ved at sikre beskedintegritet.

Inden for klassisk kryptografi tjener blokcifre som alsidige værktøjer til at konstruere MAC'er, der tilbyder robuste mekanismer til at sikre meddelelsesintegritet og autenticitet. Ved at udnytte egenskaberne af blokcifre gennem metoder som CBC-MAC, CMAC og HMAC, kan kryptografiske systemer give stærke sikkerhedsgarantier mod manipulation og forfalskning.

Andre seneste spørgsmål og svar vedr Anvendelser af blokkoder:

Se flere spørgsmål og svar i Applications of block ciphers

Flere spørgsmål og svar:

Tagged under: , , , , ,