AES-GCM-HKDF 流式传输 AEAD

本文档正式定义了由 AES-GCM-HKDF 流式传输密钥表示的数学函数，以 proto 格式编码为 type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesGcmHkdfStreamingKey。

这种加密大致基于 HRRV151。对于安全分析，请参阅 HS202。

键和参数

以下部分对键进行了介绍（本文档中的所有大小均以字节为单位）：

  • \(\mathrm{KeyValue}\)，一个字节字符串。
  • \(\mathrm{CiphertextSegmentSize} \in \{1, 2, \ldots, 2^{31}-1\}\).
  • \(\mathrm{DerivedKeySize} \in \{16, 32\}\).
  • \(\mathrm{HkdfHashType} \in \{\mathrm{SHA1}, \mathrm{SHA256}, \mathrm{SHA512}\}\).

有效键还满足以下属性：

  • \(\mathrm{len}(\mathrm{KeyValue}) \geq \mathrm{DerivedKeySize}\).
  • \(\mathrm{CiphertextSegmentSize} > \mathrm{DerivedKeySize} + 24\) （这等于稍后介绍的 \(\mathrm{len}(\mathrm{Header}) + 16\) ）。

在解析键或创建相应的基元时，Tink 会拒绝不满足其中任何属性的键。

加密功能

为了使用相关数据\(\mathrm{AssociatedData}\)加密消息 \(\mathrm{Msg}\) ，我们需要创建一个标头，将消息拆分为多个分段，对每个分段进行加密，然后将加密的分段串联起来。

创建标头

我们选择一个长度为\(\mathrm{DerivedKeySize}\) 的统一随机字符串 \(\mathrm{Salt}\) 和一个长度为 7 的统一随机字符串 \(\mathrm{NoncePrefix}\)。

然后设置 \(\mathrm{Header} := \mathrm{len}(\mathrm{Header}) \| \mathrm{Salt} \| \mathrm{NoncePrefix}\)，其中标头的长度被编码为单个字节。请注意， \(\mathrm{len}(\mathrm{Header}) \in \{24, 40\}\).

接下来，我们使用 HKDF3 来处理由 \(\mathrm{HkdfHashType}\)以及输入 \(\mathrm{ikm} := \mathrm{KeyValue}\)、 \(\mathrm{salt} := \mathrm{Salt}\)和 \(\mathrm{info} := \mathrm{AssociatedData}\)提供的哈希函数，输出长度为 \(\mathrm{DerivedKeySize}\)。我们将结果称为 \(\mathrm{DerivedKey}\)。

拆分消息

接下来，消息 \(\mathrm{Msg}\) 会拆分为以下部分： \(\mathrm{Msg} = M_0 \| M_1 \| \cdots \| M_{n-1}\)。

它们的长度应符合以下要求：

  • \(\mathrm{len}(M_0) \in \{0,\ldots, \mathrm{CiphertextSegmentSize} - \mathrm{len}(\mathrm{Header}) - \mathrm{16}\}\).
  • 如果为 \(n>1\)，则 \(\mathrm{len}(M_1), \ldots, \mathrm{len}(M_{n-1}) \in \{1,\ldots, \mathrm{CiphertextSegmentSize} - \mathrm{16}\}\)。
  • 如果为 \(n>1\)，则 \(\mathrm{len}(M_{0}), \ldots, \mathrm{len}(M_{n-2})\) 必须具有最大长度（根据上述约束条件）。

\(n\) 不得超过 \(2^{32}\)。否则加密失败。

加密块

为了加密区段 \(M_i\)，我们计算 \(\mathrm{IV}_i := \mathrm{NoncePrefix} \| \mathrm{i} \| b\)，其中 \(\mathrm{i}\) 是采用大端序编码的 4 个字节，如果 $i < n-1$ ，则字节 $b$ 为 0x00，否则为 0x01。

然后，我们使用 AES-GCM4 进行加密，其中密钥为\(\mathrm{DerivedKey}\)，初始化矢量为 \(\mathrm{IV}_i\)，关联数据为空字符串。 \(C_i\) 是此加密的结果（即链接的 AES-GCM 参考文档第 5.2.1.2 节中的 \(C\) 与 \(T\) 的串联）。 \(M_i\)

串联加密片段

最后，所有分段都以 \(\mathrm{Header} \| C_0 \| \cdots \| C_{n-1}\)的形式串联起来，即最终的密文。

解密

解密会反加密。我们使用标头获取 \mathrm{NoncePrefix}$$，并单独解密密文的每个分段。

API 可以（且通常允许）允许随机访问，即在不检查文件结尾的情况下访问文件的开头。这是有意为之，因为可以从 \(C_i\)解密 \(M_i\) ，而无需解密之前和其余的所有密文块。

不过，API 应格外小心，不要让用户混淆文件末尾错误和解密错误：在这两种情况下，API 都可能需要返回错误，而忽略差异会导致攻击者能够有效截断文件。

键的序列化和解析

要序列化“Tink Proto”格式的键，我们首先以明显的方式将参数映射到 aes_gcm_hkdf_streaming.proto 中给出的 proto 中。字段 version 需要设置为 0。然后，我们使用常规 proto 序列化对其进行序列化，并将生成的字符串嵌入到 KeyData proto 的值中。我们将 type_url 字段设置为 type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesGcmHkdfStreamingKey。然后，将 key_material_type 设置为 SYMMETRIC，并将其嵌入密钥集。我们通常将 output_prefix_type 设置为 RAW。例外情况是，如果解析键时使用了为 output_prefix_type 设置的其他值，Tink 可能会写入 RAW 或先前的值。

为了解析键，我们会反转上述过程（以解析 proto 时的常规方式）。系统会忽略 key_material_type 字段。可以忽略 output_prefix_type 的值，也可以拒绝 output_prefix_type 与 RAW 不同的键。version 不为 0 的密钥必须被拒绝。

已知问题

上述加密函数的实现不应是分支安全的。请参阅叉子安全。

参考

  1. Hoang、Reyhanitabar、Rogaway、Vizar，2015 年。在线身份验证加密及其防 Nonce 重用误用。CRYPTO 2015。 https://eprint.iacr.org/2015/189 ↩

  2. Hoang、Shen，2020 年。Google Tink 库中流式加密的安全性。https://eprint.iacr.org/2020/1019 ↩

  3. RFC 5869。基于 HMAC 的提取和扩展密钥派生函数 (HKDF)。 https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc5869 ↩

  4. NIST SP 800-38D。关于分块加密操作模式的建议：伽罗瓦/计数器模式 (GCM) 和 GMAC。https://csrc.nist.gov/pubs/sp/800/38/d/final ↩