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基于AES-CCM模式的IPsec应用及其安全机制的分析(

2014-09-18 01:29 摘 要 本文就IPsec应用中如何采用AES-CCM模式进行了相关讨论。由于该模式结合AES算法和CCM模式的加密和认证方式各自优点，因而在应用中具有优良的安全性能。另外，本文也对AES-CCM模式如何保证消息的完整性和机密性进行了分析，并提出对网络安全防范的补充见解。 关键词 AES；CCM；加密与认证
1 AES加密算法性能分析 美国标准与技术研究院（NIST）于2002年5月26日制定了新的高级加密标准[5]（AES）规范。该标准采用Rijndael算法的设计策略是宽轨迹策略（Wide Trail Strategy）, 宽轨迹策略是针对差分分析和线性分析提出的，它的最大优点是可以给出算法的最佳差分特征的概率及最佳线性逼近的偏差的界，由此可以分析算法抵抗差分密码分析及线性密码分析的能力。 Rijndael算法采用的是替代/置换网络。每一轮变换由三层组成：线性混合层，用于在多轮变换上的高度扩散；非线性层，由16个S-盒并置而成，起混淆的作用；密钥加层，子密钥简单的异或到中间状态。S-盒选取的是有限域GF（28）中的乘法逆运算，因此它的差分均匀性和线性偏差都达到了最佳。 Rijndael算法的安全性非常良好。4－轮Rijndael算法的最佳差分特征的概率和最佳线性逼近的偏差分别为2-150和2-76；8－轮Rijndael算法的最佳差分特征的概率和最佳线性逼近的偏差分别为2-300和2-151。此外，“Square”攻击是针对Square算法提出的一种攻击方法，同样适用于Rijndael算法，7－轮以上的Rijndael算法对“Square”攻击是免疫的。 因此，AES加密算法的优点显而易见：有良好的数学理论作为基础，没有明显的缺点和安全漏洞，加密、解密相似但不对称，因而具有更高的安全性，分组（支持128bit、192bit和256bit）和密钥长度（支持128bit、192bit和256bit）的多重选择也体现了该算法的灵活性。2 AES-CCM模式在IPSec中的应用2.1 AES加密算法的CCM模式 对称密码已经广泛应用于数据的保密和数据完整性认证。每一种不同算法的分组密码在具体运用时，都会选择一种具体的操作模式[1][2]，如电子密码本模式（ECB）、密码分组链接模式（CBC）或计数模式（CTR）等。这些模式仅提供加密服务而不提供鉴别服务，但有些应用中除了需要加密服务外还要求鉴别服务。 IPSec 是一个负责IP安全协议和密钥管理的安全体系，需要对IP传输提供了数据保密、数据完整性保护、身份认证和反重放保护，以达到保护网络安全通信的目的。由于常规的操作模式仅提供数据加密服务，因此在IPSec应用存在安全漏洞。而数据完整性保护、身份认证和反重放保护都需要鉴别服务。 目前，IPSec只支持正式CBC模式和CTR模式。但是，由Doug Whiting等提出的CCM[5]（Counter with Cipher Block Chaining-Message Authentication Code）模式是一种同时提供加密和鉴别服务的全新操作模式。CCM模式具有许多优秀的性质，它提供了带鉴别的加密服务，并且不会发生“错误传播”（Error Propagation）。另外，CCM模式还具有同步性（Synchronization）和一定程度的并行性（Parallelizability）——在加密过程具有并行性而在鉴别过程则没有。因此相对于其他模式，CCM模式在IPSec应用中更具优势。 CCM模式是分组密码一种全新的操作模式，它同时提供了加密与鉴别服务，其中加密服务由计数模式（Counter Mode）提供,而鉴别服务由CBC-MAC（Cipher Block Chaining-Message Authentication Code）算法提供。我们可以理解为CCM模式结合了计数模式与CBC模式两者各自的优点。 使用CCM模式的基本条件包括，发送方和接收方定义相同的分组密码算法（这里为AES算法）、密钥K、记数器发生函数（Counter Generation Function）、格式化函数F（）（Formatting Function）和鉴别标记长度Tlen。在CCM模式下，发送者的输入包括随机值Nonce、有效载荷和附加鉴别数据，分别记为 N、P、A。计算步骤如下： Step 1. 计算格式化函数