Thuật toán AES-256-GCM

Bài đọc và video tham khảo:

• GHASH

I. Lý thuyết

Hiểu về AAD

Tôi sẽ lấy một ví dụ đơn giản đời thường như này.

Bạn có một bìa thư chứa nội dung cực kì quan trọng mà không muốn cho người khác biết. Vậy thì một câu hỏi được đặt ra là cần phải làm gì?

Tất nhiên là mã hóa rồi

Vấn đề ở đây là ta nên mã hóa cái gì, nội dung bên trong lá thư thì mã hóa là điều tất nhiên nhưng còn tiêu đề thì sao. Tiêu đề là cái địa chỉ nhà bạn bè, hay tên người nhận đó. Ta không thể nào mã hóa luôn cả tiêu đề vì làm như thế bác đưa thư sẽ rất là cay cú vì không biết gửi cho ai.

Cách giải quyết ở đây là gì ?

Tôi sẽ thiết kế một cái sợi dây liên kết nội dung thư (đã dc mã khóa) với tiêu đề thư lun.

Lúc này bác đưa thư có thể dễ dàng làm việc của mk. Và khi có bất kì ai đó động chạm vào tiêu đề hay nội dung của thư thì sợi dây liên kết đó sẽ bị đứt. Chỉ bạn bè mà nhận thư mà thấy sợi dây này đứt thì bít sẽ là đồ giả mạo rồi.

Đó chính là cách làm việc của AES-GCM khi có thêm AAD, AAD sẽ được đưa vào GHASH trong quá trình liên kết block tạo tag.

II. Example

Sử dụng openssl 3x

/*
 * Simple AES GCM authenticated encryption with additional data (AEAD)
 * demonstration program.
 */

#include <stdio.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/bio.h>
#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/core_names.h>

/* AES-GCM test data obtained from NIST public test vectors */

/* AES key */
static const unsigned char gcm_key[] = {
    0xee, 0xbc, 0x1f, 0x57, 0x48, 0x7f, 0x51, 0x92, 0x1c, 0x04, 0x65, 0x66,
    0x5f, 0x8a, 0xe6, 0xd1, 0x65, 0x8b, 0xb2, 0x6d, 0xe6, 0xf8, 0xa0, 0x69,
    0xa3, 0x52, 0x02, 0x93, 0xa5, 0x72, 0x07, 0x8f
};

/* Unique initialisation vector */ 
static const unsigned char gcm_iv[] = {
    0x99, 0xaa, 0x3e, 0x68, 0xed, 0x81, 0x73, 0xa0, 0xee, 0xd0, 0x66, 0x84 // 16 bytes
};

/* Example plaintext to encrypt */
static const unsigned char gcm_pt[] = {
    0xf5, 0x6e, 0x87, 0x05, 0x5b, 0xc3, 0x2d, 0x0e, 0xeb, 0x31, 0xb2, 0xea,
    0xcc, 0x2b, 0xf2, 0xa5
};

/*
 * Example of Additional Authenticated Data (AAD), i.e. unencrypted data
 * which can be authenticated using the generated Tag value.
 */
static const unsigned char gcm_aad[] = {
    0x4d, 0x23, 0xc3, 0xce, 0xc3, 0x34, 0xb4, 0x9b, 0xdb, 0x37, 0x0c, 0x43,
    0x7f, 0xec, 0x78, 0xde
};

// Nhung gia tri ma hoa duoc mong doi khi thuc hien ma hoa AES-GCM
/* Expected ciphertext value */
static const unsigned char gcm_ct[] = {
    0xf7, 0x26, 0x44, 0x13, 0xa8, 0x4c, 0x0e, 0x7c, 0xd5, 0x36, 0x86, 0x7e,
    0xb9, 0xf2, 0x17, 0x36
};

/* Expected AEAD Tag value */
static const unsigned char gcm_tag[] = {
    0x67, 0xba, 0x05, 0x10, 0x26, 0x2a, 0xe4, 0x87, 0xd7, 0x37, 0xee, 0x62,
    0x98, 0xf7, 0x7e, 0x0c
};

/*
 * A library context and property query can be used to select & filter
 * algorithm implementations. If they are NULL then the default library
 * context and properties are used.
 */
static OSSL_LIB_CTX *libctx = NULL;
static const char *propq = NULL;

static int aes_gcm_encrypt(void)
{
    int ret = 0;
    EVP_CIPHER_CTX *ctx;
    EVP_CIPHER *cipher = NULL;
    int outlen, tmplen;
    size_t gcm_ivlen = sizeof(gcm_iv);
    unsigned char outbuf[1024];
    unsigned char outtag[16];
    OSSL_PARAM params[2] = {
        OSSL_PARAM_END, OSSL_PARAM_END
    };

    printf("AES GCM Encrypt:\n");
    printf("Plaintext:\n");
    BIO_dump_fp(stdout, gcm_pt, sizeof(gcm_pt));

    /* Create a context for the encrypt operation */
    if ((ctx = EVP_CIPHER_CTX_new()) == NULL)
        goto err;

    /* Fetch the cipher implementation */
    if ((cipher = EVP_CIPHER_fetch(libctx, "AES-256-GCM", propq)) == NULL)
        goto err;

    /* Set IV length if default 96 bits is not appropriate */
    params[0] = OSSL_PARAM_construct_size_t(OSSL_CIPHER_PARAM_AEAD_IVLEN,
        &gcm_ivlen);

    /*
     * Initialise an encrypt operation with the cipher/mode, key, IV and
     * IV length parameter.
     * For demonstration purposes the IV is being set here. In a compliant
     * application the IV would be generated internally so the iv passed in
     * would be NULL.
     */
    if (!EVP_EncryptInit_ex2(ctx, cipher, gcm_key, gcm_iv, params))
        goto err;

    /* Zero or more calls to specify any AAD */
    if (!EVP_EncryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, gcm_aad, sizeof(gcm_aad)))
        goto err;

    /* Encrypt plaintext */
    if (!EVP_EncryptUpdate(ctx, outbuf, &outlen, gcm_pt, sizeof(gcm_pt)))
        goto err;

    /* Output encrypted block */
    printf("Ciphertext:\n");
    BIO_dump_fp(stdout, outbuf, outlen);

    /* Finalise: note get no output for GCM */
    if (!EVP_EncryptFinal_ex(ctx, outbuf, &tmplen))
        goto err;

    /* Get tag */
    params[0] = OSSL_PARAM_construct_octet_string(OSSL_CIPHER_PARAM_AEAD_TAG,
        outtag, 16);

    if (!EVP_CIPHER_CTX_get_params(ctx, params))
        goto err;

    /* Output tag */
    printf("Tag:\n");
    BIO_dump_fp(stdout, outtag, 16);

    ret = 1;
err:
    if (!ret)
        ERR_print_errors_fp(stderr);

    EVP_CIPHER_free(cipher);
    EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);

    return ret;
}

static int aes_gcm_decrypt(void)
{
    int ret = 0;
    EVP_CIPHER_CTX *ctx;
    EVP_CIPHER *cipher = NULL;
    int outlen, rv;
    size_t gcm_ivlen = sizeof(gcm_iv);
    unsigned char outbuf[1024];
    OSSL_PARAM params[2] = {
        OSSL_PARAM_END, OSSL_PARAM_END
    };

    printf("AES GCM Decrypt:\n");
    printf("Ciphertext:\n");
    BIO_dump_fp(stdout, gcm_ct, sizeof(gcm_ct));

    if ((ctx = EVP_CIPHER_CTX_new()) == NULL)
        goto err;

    /* Fetch the cipher implementation */
    if ((cipher = EVP_CIPHER_fetch(libctx, "AES-256-GCM", propq)) == NULL)
        goto err;

    /* Set IV length if default 96 bits is not appropriate */
    params[0] = OSSL_PARAM_construct_size_t(OSSL_CIPHER_PARAM_AEAD_IVLEN,
        &gcm_ivlen);

    /*
     * Initialise an encrypt operation with the cipher/mode, key, IV and
     * IV length parameter.
     */
    if (!EVP_DecryptInit_ex2(ctx, cipher, gcm_key, gcm_iv, params))
        goto err;

    /* Zero or more calls to specify any AAD */
    if (!EVP_DecryptUpdate(ctx, NULL, &outlen, gcm_aad, sizeof(gcm_aad)))
        goto err;

    /* Decrypt plaintext */
    if (!EVP_DecryptUpdate(ctx, outbuf, &outlen, gcm_ct, sizeof(gcm_ct)))
        goto err;

    /* Output decrypted block */
    printf("Plaintext:\n");
    BIO_dump_fp(stdout, outbuf, outlen);

    /* Set expected tag value. */
    params[0] = OSSL_PARAM_construct_octet_string(OSSL_CIPHER_PARAM_AEAD_TAG,
        (void *)gcm_tag, sizeof(gcm_tag));

    if (!EVP_CIPHER_CTX_set_params(ctx, params))
        goto err;

    /* Finalise: note get no output for GCM */
    rv = EVP_DecryptFinal_ex(ctx, outbuf, &outlen);
    /*
     * Print out return value. If this is not successful authentication
     * failed and plaintext is not trustworthy.
     */
    printf("Tag Verify %s\n", rv > 0 ? "Successful!" : "Failed!");

    ret = 1;
err:
    if (!ret)
        ERR_print_errors_fp(stderr);

    EVP_CIPHER_free(cipher);
    EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);

    return ret;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    if (!aes_gcm_encrypt())
        return EXIT_FAILURE;

    if (!aes_gcm_decrypt())
        return EXIT_FAILURE;

    return EXIT_SUCCESS;
}