CCM加密认证模式

（本文资料主要来自：RFC3610）

CCM是Cipher Block Chaining Message Authentication Code (CBC-MAC)和Counter模式（CTR）的组合。可以同时生存认证信息和对数据加密。CCM广泛用于互联网和物联网中对传输数据进行保护。而且很多MCU中都实现了对CCM的硬件支持，使用也比较方便。下面的介绍主要根据RFC3610整理。

在数据通信中，传输中的数据包由两部分构成：数据包头和用户数据（payload）。用户数据一般需要加密以防止窃听。但传输路上的设备（路由器、交换机等）往往需要参照数据包头以保证把数据包能正确地送到目的地，因此数据包头不能加密。网络通信中的风险除了窃听，还有恶意篡改、伪造等其他行为。因此为了保证收到的数据包没有被篡改，需要对整个数据、包括包头进行认证。

数据认证

认证采用CBC-MAC模式。需要指定两个参数：

认证域的长度M：可以是4、6、8、10、12、14、16。

长度域的长度（大小）L。

M、L均用3bit编码，编码方式如下：

M域：（M-2）/2;

L域：L-1。

为了认证处理，需要的信息如下：

密钥K

Nonce N，长度为：15-L。Nonce在一个密钥的使用周期内必须确保唯一。

明文信息m，其长度l(m)的范围为0≤l(m)＜2^(8L)，目的是其长度确保可以由L字节的长度域保存。

额外认证数据a（一般为数据包的报头），其长度为l(a)，大小范围为：0≤l(a)＜2^(64)。这部分数据只认证（Authenticate），不加密。因此也不包含在该模式的输出中。主要是用于认证明文的报头、或影响消息解析的上下文信息。

CBC-MAC的操作流程如下：



为了利用上述算法，需要构建各个块mi，也叫B_i。每块的大小是16bytes。

B_0由Nonce和一下特殊规则构成：

Octet Number	Contents
0	Flags
1 … 15-L	Nonce N
16-L … 15	l(m)

第一个字节的Flags域由以下bit构成：

Bit Number	Contents
7	Reserved (always zero)
6	Adata，=0 IF l(a) = 0；=1 IF l(a)>0
5…3	根据认证域长度编码(M-2)/2
2…0	根据长度域长度编码(L-1)，（L=1为保留值，禁止使用）

如果l(a)>0，在B_0之后，会添加一个或多个认证数据块（Authentication Data Block）。认证数据块由以下方式构建：将l(a)按以下方式编码，并添加到额外认证数据a之前，然后分割为16字节的数据块。如果不足，则在最后一个数据块中补0。

l(a)的编码方式如下，并且most-significant-byte first order。

First two octets	Followed by	Comment
0x0000	Nothing	Reserved
0x0001 … 0xFEFF	Nothing	For 0 < l(a) < (2^16 - 2^8)
0xFF00 … 0xFFFD	Nothing	Reserved
0xFFFE	4 octets of l(a)	For (2^16 - 2^8) <= l(a) < 2^32
0xFFFF	8 octets of l(a)	For 2^32 <= l(a) < 2^64

在上述块之后，增进消息块：分割消息m为16字节的块，并在最后一块根据需要补0为一个完整的16字节块。

对上述生存的数据块B_i，基本的计算公式如下：

X_1 := E( K, B_0 )

X_i+1 := E( K, X_i XOR B_i ) for i=1, …, n

T := first-M-bytes( X_n+1 )

其中：

E()—block cipher encryption function

T—MAC value.

数据加密

采用Counter(CTR)模式，其操作流程如下：



需要进行加密计算的Counter域A_i根据以下方式生成：

Octet Number	Contents
0	Flags
1 … 15-L	Nonce N
16-L … 15	Counter i

其中的Counter i域以most-significant-byte first order形式编码。第一个字节的Flags域由以下bit构成：

Bit Number	Contents
7	Reserved (always zero)
6	Reserved (always zero)
5…3	Zero
2…0	L’=L-1，（L：长度域长度，L=1为保留值，禁止使用）

加密计算后的结果表示为S_i：\

S_i := E( K, A_i ) for i=0, 1, 2, …

将上述加密后的结果S_1, S_2, S_3 … .组合成数据串，并取前l(m)个字节与明文数据m进行XOR操作，得到密文。注意：S_0不用于XOR操作。

最终的认证串的值U则利用S_0计算得到，如下所示：

U := T XOR first-M-bytes( S_0 )