Streaming AES-GCM-HKDF

Dokumen ini secara formal menentukan fungsi matematika yang direpresentasikan oleh kunci Streaming AES-GCM-HKDF, yang dienkode dalam format proto sebagai type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesGcmHkdfStreamingKey.

Enkripsi ini secara longgar didasarkan pada HRRV151. Untuk analisis keamanan, kami merujuk pada HS202.

Kunci dan parameter

Kunci dijelaskan dalam bagian-bagian berikut (semua ukuran dalam dokumen ini dalam byte):

  • \(\mathrm{KeyValue}\), string byte.
  • \(\mathrm{CiphertextSegmentSize} \in \{1, 2, \ldots, 2^{31}-1\}\).
  • \(\mathrm{DerivedKeySize} \in \{16, 32\}\).
  • \(\mathrm{HkdfHashType} \in \{\mathrm{SHA1}, \mathrm{SHA256}, \mathrm{SHA512}\}\).

Kunci yang valid juga memenuhi properti berikut:

  • \(\mathrm{len}(\mathrm{KeyValue}) \geq \mathrm{DerivedKeySize}\).
  • \(\mathrm{CiphertextSegmentSize} > \mathrm{DerivedKeySize} + 24\) (Ini sama dengan \(\mathrm{len}(\mathrm{Header}) + 16\) seperti yang dijelaskan nanti).

Kunci yang tidak memenuhi properti ini akan ditolak oleh Tink, saat kunci diurai atau saat primitif yang sesuai dibuat.

Fungsi enkripsi

Untuk mengenkripsi pesan \(\mathrm{Msg}\) dengan data terkait \(\mathrm{AssociatedData}\), kita membuat header, membagi pesan menjadi beberapa segmen, mengenkripsi setiap segmen, dan menyambungkan segmen terenkripsi.

Membuat header

Kita memilih string acak seragam \(\mathrm{Salt}\) dengan panjang \(\mathrm{DerivedKeySize}\) dan string acak seragam \(\mathrm{NoncePrefix}\) dengan panjang 7.

Kemudian, kita menetapkan \(\mathrm{Header} := \mathrm{len}(\mathrm{Header}) \| \mathrm{Salt} \| \mathrm{NoncePrefix}\), dengan panjang header dienkode sebagai satu byte. Perhatikan bahwa \(\mathrm{len}(\mathrm{Header}) \in \{24, 40\}\).

Selanjutnya, kita menggunakan HKDF3 dengan fungsi hash yang diberikan oleh \(\mathrm{HkdfHashType}\) dan input \(\mathrm{ikm} := \mathrm{KeyValue}\), \(\mathrm{salt} := \mathrm{Salt}\), dan \(\mathrm{info} := \mathrm{AssociatedData}\), dengan panjang output \(\mathrm{DerivedKeySize}\). Kami menyebut hasilnya \(\mathrm{DerivedKey}\).

Memisahkan pesan

Selanjutnya, pesan \(\mathrm{Msg}\) akan dibagi menjadi beberapa bagian: \(\mathrm{Msg} = M_0 \| M_1 \| \cdots \| M_{n-1}\).

Durasinya dipilih untuk memenuhi:

  • \(\mathrm{len}(M_0) \in \{0,\ldots, \mathrm{CiphertextSegmentSize} - \mathrm{len}(\mathrm{Header}) - \mathrm{16}\}\).
  • Jika \(n>1\), maka \(\mathrm{len}(M_1), \ldots, \mathrm{len}(M_{n-1}) \in \{1,\ldots, \mathrm{CiphertextSegmentSize} - \mathrm{16}\}\).
  • Jika \(n>1\), maka \(\mathrm{len}(M_{0}), \ldots, \mathrm{len}(M_{n-2})\) harus memiliki panjang maksimal sesuai dengan batasan di atas.

\(n\) mungkin maksimal \(2^{32}\). Jika tidak, enkripsi akan gagal.

Mengenkripsi blok

Untuk mengenkripsi segmen \(M_i\), kami menghitung \(\mathrm{IV}_i := \mathrm{NoncePrefix} \| \mathrm{i} \| b\), dengan \(\mathrm{i}\) 4 byte dalam encoding big-end dan byte $b$ adalah 0x00 jika $i < n-1$ dan 0x01 sebaliknya.

Kemudian, kami mengenkripsi \(M_i\) menggunakan AES-GCM4, dengan kuncinya adalah \(\mathrm{DerivedKey}\), vektor inisialisasi adalah \(\mathrm{IV}_i\), dan data terkait adalah string kosong. \(C_i\) adalah hasil dari enkripsi ini (yaitu penyambungan \(C\) dan \(T\) di bagian 5.2.1.2 dari referensi AES-GCM tertaut).

Menggabungkan segmen yang dienkripsi

Terakhir, semua segmen digabungkan sebagai \(\mathrm{Header} \| C_0 \| \cdots \| C_{n-1}\), yang merupakan ciphertext akhir.

Dekripsi

Dekripsi akan membalikkan enkripsi. Kita menggunakan header untuk mendapatkan \mathrm{NoncePrefix}$$, dan mendekripsi setiap segmen ciphertext satu per satu.

API dapat (dan biasanya mengizinkan) akses acak, atau akses ke awal file tanpa memeriksa bagian akhir file. Hal ini disengaja karena dapat didekripsi \(M_i\) dari \(C_i\), tanpa mendekripsi semua blok ciphertext sebelumnya dan sisa.

Namun, API harus berhati-hati agar tidak mengizinkan pengguna salah membedakan error akhir file dan dekripsi: dalam kedua kasus, API mungkin harus menampilkan error, dan mengabaikan perbedaannya dapat menyebabkan penyerang dapat memotong file secara efektif.

Serialisasi dan penguraian kunci

Untuk membuat serialisasi kunci dalam format "Tink Proto", pertama-tama kita akan memetakan parameter dengan cara yang jelas ke dalam proto yang diberikan di aes_gcm_hkdf_streaming.proto. Kolom version harus ditetapkan ke 0. Kemudian, kami melakukan serialisasi menggunakan serialisasi proto normal, dan menyematkan string yang dihasilkan dalam nilai kolom proto KeyData. Kita menetapkan kolom type_url ke type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesGcmHkdfStreamingKey. Kemudian, kita menetapkan key_material_type ke SYMMETRIC, dan menyematkannya ke dalam keyset. Kita biasanya menetapkan output_prefix_type ke RAW. Pengecualiannya adalah jika kunci diuraikan dengan nilai yang ditetapkan untuk output_prefix_type, Tink dapat menulis RAW atau nilai sebelumnya.

Untuk mengurai kunci, kita membalikkan proses di atas (dengan cara yang biasa saat mengurai proto). Kolom key_material_type diabaikan. Nilai output_prefix_type dapat diabaikan, atau kunci yang memiliki output_prefix_type yang berbeda dengan RAW dapat ditolak. Kunci yang memiliki version yang berbeda dengan 0 harus ditolak.

Masalah umum

Implementasi fungsi enkripsi di atas diharapkan tidak aman untuk fork. Lihat Keamanan Fork.

Referensi

  1. Hoang, Reyhanitabar, Rogaway, Vizar, 2015. Enkripsi yang diautentikasi online dan ketahanannya terhadap penyalahgunaan nonce-reuse. CRYPTO 2015. https://eprint.iacr.org/2015/189 ↩

  2. Hoang, Shen, 2020. Keamanan Enkripsi Streaming di Library Tink Google. https://eprint.iacr.org/2020/1019 ↩

  3. RFC 5869. Extract-and-Expand Key Derivation Function (HKDF) berbasis HMAC. https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc5869 ↩

  4. NIST SP 800-38D. Rekomendasi untuk Mode Operasi Block Cipher: Galois/Counter Mode (GCM) dan GMAC. https://csrc.nist.gov/pubs/sp/800/38/d/final ↩