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【密码算法 之五】CMAC 浅析_cmac算法
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1. 概述
CMAC（Cipher Block Chaining-Message Authentication Code），也简称为CBC_MAC，它是一种基于对称秘钥分组加密算法的消息认证码。由于其是基于“对称秘钥分组算法”的，故可以将其当做是对称算法的一种操作模式。
CMAC可以应用的算法主要有：AES、DES、3DES等。
2. 原理分析
以AES128为例，对其工作原理进行探讨。
2.1 符号
| 名称 | 含义 |
|---|---|
| b | 加密块的位长（bit） |
| Rb | 用于生成子秘钥的常量字符串 |
| K | 加密算法的秘钥 |
| K1 | 第1个子秘钥 |
| K2 | 第2个子秘钥 |
| M | 消息 |
| Mi | 第i个消息块 |
| Mn* | 最后一个块（该块可能是整块，也可能是部分块） |
| Mlen | 消息的长度（单位：bit） |
| T | MAC值 |
| Tlen | MAC值的长度（单位：bit） |
| n | 块分组的个数 |
| [M] | 取不小于M的最小整数值，比如M = 2.1 则取值3， 若M= 3，则取值为3 |
| CIPHK(X) | 使用秘钥K对数据块X进行加密（通过调用相应的加密算法） |
| LSBs(X) | 取位串X的低s位 |
| MSBs(X) | 取位串X的高s位 |
| 0s | 位串中含有连续的0的个数 |
| X<<1 | X左移一位，最高位溢出，最低位以0补齐 |
2.1 子秘钥生成
如下图所示：对于AES128来说，b的大小为128bit，K的长度同样也是128bit。
步骤1：通过AES算法，对128bit的0000…0000进行加密，得到加密后的串L（128bit）；
步骤2：若L的最高位为0， 则K1 = L <<1，若L的最高位为1， K1 = （L << 1）与Rb的异或之后的值。
步骤3：若K1的最高位为0， 则K2 = K1 <<1，若K1的最高位为1， K2 = （K1 << 1）与Rb的异或之后的值。
注：
（1）AES算法，b的长度为128bit，则R128 = 012010000111 (10000111为固定值)；
（2）DES、3DES算法，b的长度为64bit， 则则R64 = 05911011（11011也是固定值）。
2.2 计算MAC
步骤1：通过2.1中的方法计算出子秘钥K1、K2；
步骤2：若M为空，则n = 1, 否则，n 取不小于[Mlen/b]的最小整数值；
步骤3：若M分为n个block，其中前n-1个块均为完整的块，最后一个块n可能是完整的块，也可能不是完整的块；
步骤4：对最后一个块Mn*进行处理，若Mn*是完整块，则Mn*与K1异或之后作为作为最后一个块Mn；若Mn*为非完整块，则先补齐Mn*，再与K2异或最为最后一个块Mn。
步骤5：通过加密算法对所有的块进行加密，并取最后一组密文Cn高Tlen作为MAC值T。到此，计算MAC的步骤全部完成。
下图展示两种块（完整、非完整）的处理过程：
3. 总结
（1）与AES加密的区别在于，这里需要对最后一个block进行处理；
（2）需要计算两个子秘钥K1、K2；
（3）算MAC的key与加密的key是同一个key；
（4）可以认为CMAC是一种工作模式，支持的算法为AES，DES、3DES等。
各种算法的链接地址如下：
【密码算法 之零】对称算法（DES,、3DES、 AES、DM5、HMAC、CMAC、SHAxx、SM3、SM4），非对称算法（RSA、ECC、ECDSA、ECDH、SM2、SM9…）
