PKCS#5研究（合）

时间  2021-01-21 标签 口令 密钥 加密 认证 密钥导出函数

摘要：本文档对PKCS#5 v2.1（基于口令的密码标准）介绍的基于口令的密钥生成函数、基于口令的加密方案、基于口令的消息认证MAC方案进行简要分析记录。其核心为基于口令的密钥生成函数即将口令（Password）通过密钥导出函数KDF后生成主密钥，用于加密方案和消息认证方案。NIST SP 800-132（基于口令的密钥导出）也是参考PKCS5来制定的。

 

关键词：密码模块，口令，密钥，密码算法，密钥导出函数，加密，MAC。

 

1. 综述

PKCS5 v2.1主要讲述了三个方面的内容：

  • 基于口令的密钥导出函数PBKDF。
    • PBKDF1：仅兼容PKCS5 v1.5用，使用HASH（MD2、MD5、SHA-1），导出密钥≤ hLen。
    • PBKDF2：推荐使用，使用HMAC，导出密钥可很长。方案同NIST SP800-132的PBKDF。
  • 基于口令的加密方案，用PBKDF导出密钥进行加密。
    • PBES1：仅兼容PKCS5 v1.5，PBKDF1 + DES / RC2 – CBC
    • PBES2：推荐使用，PBKDF2 + AES-CBC-Pad
  • 基于口令的消息认证方案，用PBKDF导出密钥计算MAC。

 

主要涉及如下几个参数

  • P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  • S：盐值，无需保密，增加密文多变性，可为口令索引值或伪随机数等。
  • c：迭代次数，口令导出密钥时的迭代次数，建议不小于1000，以适当增加使用者负担，但可以显著增加攻击者难度。
  • DK：导出密钥。
  • dkLen：导出密钥的字节长度。
  • hLen：杂凑函数的输出字节长度。

 

口令的选择建议参考如下文档。

  1. NIST SP 800-63: Electronic Authentication Guideline: Recommendations of the National Institute of Standards and Technology, Appendix A, April 2006.

 

5. 基于口令的密钥导出函数

有两个基于口令的密钥导出函数PBKDF方案，如下表。

表5.1 基于口令的密钥导出函数PBKDF1和PBKDF2对比

（hLen为HASH函数的输出长度）

项目

PBKDF1

PBKDF2

HASH函数

MD2

MD5

SHA-1

HMAC

（HMAC底层使用SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512）

导出密钥长度

≤ hLen

≤ (232 – 1) × hLen

使用

不推荐

仅兼容PKCS5 v1.5

推荐使用

对比NIST SP800-132

NIST SP800-132无PBKDF1函数

NIST SP800-132的PBKDF即PBKDF2函数

NIST SP800-132基于口令的密钥导出函数，是基于PKCS5得到。

5.1 PBKDF1

说明：NIST SP800-132基于口令的密钥导出函数不涉及此PBKDF1函数。

函数：DK = PBKDF1 (P, S, c, dkLen)

功能：基于口令的密钥导出函数PBKDF1

输入参数：

  1. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  2. S：盐值，无需保密，增加密文多变性。
  3. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
  4. dkLen：导出密钥DK的字节长度，≤ hLen。

内部参数：

  1. HASH：杂凑函数（为MD2、MD5、SHA-1）。
  2. hLen：杂凑函数的输出字节长度。
  3. MSB(L, M)：获取数据串M的高L字节。

返回数据：

  1. DK：导出密钥。

执行步骤：

步骤1：若dkLen > hLen，返回错误标识。

步骤2：T0 = P || S。

步骤3：for i = 1,2,..., c，执行

      3.1        Ti = Hash (Ti-1)

步骤4：返回导出密钥DK = MSB (dkLen, Tc)。

5.2 PBKDF2

说明：NIST SP800-132基于口令的密钥导出函数PBKDF即此PBKDF2函数。

函数：DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)

功能：基于口令的密钥导出函数PBKDF2

输入参数：

  1. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  2. S：盐值，无需保密，增加密文多变性。
  3. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
  4. dkLen：导出密钥DK的字节长度，≤ (232 – 1) × hLen。

内部参数：

  1. PRF：伪随机函数，可以是HMAC-SHA-1、HMAC-SHA-224、HMAC-SHA-256、HMAC-SHA-384、HMAC-SHA-512。
  2. hLen：杂凑函数的输出字节长度。
  3. MSB(L, M)：获取数据串M的高L字节。

返回数据：

  1. DK：导出密钥。

执行步骤：

步骤1：若dkLen > (232 – 1) × hLen，返回错误标识。

步骤2：分组数l和最后一个分组的大小r是

h = \left \lceil dkLen/hLen \right \rceil，

r = dkLen -(l-1)hlen，

（即r = dkLen mod hLen，但模值为0时修正为hLen）。

步骤3：for i = 1,2,..., l

      3.1        Ti = 0，U0=S || Int(i)（Int(i)为i值的32比特大端表示）

      3.2        for j = 1,2,..., c

            3.2.1     Uj= PRF (P, Uj-1)

            3.2.2     Ti = Ti⊕Uj

步骤4：返回DK= MSB(T1 || T2 || ... || Tl , dkLen)。

备注：PKCS5 v2.1 PBKDF2和NIST SP800-132 PBKDF中使用的PRF都是HMAC，而NIST SP800-108（普通密钥导出函数，非基于口令的密钥导出函数）中使用的PRF可以是HMAC或CMAC。

 

 

6. 基于口令的加密方案

有两个基于口令的加密PBES方案，如下表。

表5.1 基于口令的加密方案PBES1和PBES2对比

（hLen为HASH函数的输出长度）

项目

PBES1

PBES2

使用的PBKDF

PBKDF1

PBKDF2

使用的密码算法

DES / RC2 – CBC模式

AES-CBC-Pad

使用

不推荐

仅兼容PKCS5 v1.5

推荐使用
  • AES-CBC-Pad是AES算法，密钥16/24/32字节，分组16字节，IV16字节。
  • 根据PKCS#5的附录B.2.4 RC5-CBC-Pad 提到的RC5-128的填充方式，猜测AES-CBC-Pad的填充方式为：the padding string consists of 16-(||M||mod 16) octets each with value 16-(||M|| mod 16).

 

6.1 PBES1

PBES中对消息填充的方案（EM = M || PS）为：

  • 记T = 8-(#M mod 8)，
  • 填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。
  • 例：若#M mod 8 = 7，PS = 01
  • 例：若#M mod 8 = 0，PS = 08 08 08 08 08 08 08 08
  • 此填充规则来至于RFC 1423。

6.1.1 PBES1-ENC

函数：C = PBES1-ENC (M, P, S, c)

功能：基于口令的加密方案PBES1的加密算法

输入参数：

  1. M：明文。
  2. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  3. S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
  4. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。

内部参数：

  1. ENC-CBC：加密函数CBC模式（如AES-ENC-CBC）。

返回数据：

  1. C：密文。

执行步骤：

步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF1 (P, S, c, 16)。

步骤2：生成加密密钥K（DK的高8字节）和初始化向量IV（DK的低8字节）：

K = DK[0...7], IV = DK[8...15] .

步骤3：生成编码后的消息（记T = 8-(#M mod 8)）

EM = M || PS，

其中填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。

  • 例：若#M mod 8 = 7，PS = 01
  • 例：若#M mod 8 = 0，PS = 08 08 08 08 08 08 08 08

步骤4：CBC加密：C = ENC-CBC(K, IV, EM)。

步骤5：输出密文C。

6.1.2 PBES1-DEC

函数：M = PBES1-DEC (C, P, S, c)

功能：基于口令的加密方案PBES1的解密算法

输入参数：

  1. C：密文。
  2. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  3. S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
  4. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。

内部参数：

  1. DEC-CBC：解密函数CBC模式（如AES-DEC-CBC）。

返回数据：

  1. M：明文。

执行步骤：

步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF1 (P, S, c, 16)。

步骤2：生成加密密钥K（DK的高8字节）和初始化向量IV（DK的低8字节）：

K = DK[0...7], IV = DK[8...15] .

步骤3：CBC解密：EM = DEC-CBC(K, IV, C)。

步骤4：解码生成编码后的消息

M || PS = EM。

记T 为EM最后一个字节的值，填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。如果PS不满足要求（1）：T=1,2,...,8；（2）PS的T个字节的值都为T；则填充数据格式验证失败，返回错误。

步骤5：输出明文M。

6.2 PBES2

PBES中对消息填充的方案（EM = M || PS）为：

  • 记T = 8-(#M mod 8)，
  • 填充数据PS为连续T个字节且每个字节值均为T的字符串。
  • 例：若#M mod 8 = 7，PS = 01
  • 例：若#M mod 8 = 0，PS = 08 08 08 08 08 08 08 08
  • 此填充规则来至于RFC 1423。

6.2.1 PBES2-ENC

函数：C = PBES2-ENC (M, P, S, c)

功能：基于口令的加密方案PBES2的加密算法

输入参数：

  1. M：明文。
  2. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  3. S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
  4. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。

内部参数：

  1. dkLen：导出密钥DK的字节长度。

返回数据：

  1. C：密文。

执行步骤：（PKCS#5未详细描述dkLen、K和IV的获取，相关内容为揣测）

步骤1：根据选择的密码算法AES-CBC-Pad确定dkLen（自定义）。

步骤2：生成导出密钥，DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)。

步骤3：加密：C = AES-CBC-Pad.ENC(DK, M)。（涉及K和IV的划分，自定义）

步骤4：输出密文C。

根据PKCS#5的附录B.2.4 RC5-CBC-Pad 提到的RC5-128的填充方式，猜测AES-CBC-Pad的填充方式为：the padding string consists of 16-(||M||mod 16) octets each with value 16-(||M|| mod 16).

6.2.2 PBES2-DEC

函数：M = PBES2-DEC (C, P, S, c)

功能：基于口令的加密方案PBES2的解密算法

输入参数：

  1. C：密文。
  2. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  3. S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
  4. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。

内部参数：

  1. dkLen：导出密钥DK的字节长度。

返回数据：

  1. M：明文。

执行步骤：（PKCS#5未详细描述dkLen、K和IV的获取，相关内容为揣测）

步骤1：根据选择的密码算法AES-CBC-Pad确定dkLen（自定义）。

步骤2：生成导出密钥，DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)。

步骤3：解密：M = AES-CBC-Pad.DEC(DK, C)。（涉及K和IV的划分，自定义）

步骤4：输出明文M。

 

7. 基于口令的消息认证方案

仅有一个基于口令的消息认证方案PBMAC1，如下表。

表5.1 基于口令的加密方案PBES1和PBES2对比

（hLen为HASH函数的输出长度）

项目

PBMAC1.

使用的PBKDF

PBKDF2

使用的密码算法

HMAC

（底层HASH使用SHA1和SHA2）

使用

推荐

7.1 PBMAC1

7.1.1 PBMAC1 generation

函数：C = PBMAC1-Generate (M, P, S, c dkLen)

功能：基于口令的加密方案PBES1的加密算法

输入参数：

  1. M：消息。
  2. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  3. S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
  4. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
  5. dkLen：导出密钥的字节长度。

内部参数：

  1. MAC：HMAC-SHA1或HMAC-SHA2。

返回数据：

  1. T：消息检验码。

执行步骤：

步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF:2 (P, S, c, dkLen)。

步骤2：生成消息检验码T = MAC(DK, M)。

步骤3：输出消息检验码T。

7.1.2 PBMAC1 verification

函数：C = PBMAC1-Verify (M, P, S, c, dkLen, T)

功能：基于口令的加密方案PBES1的加密算法

输入参数：

  1. M：消息。
  2. P：口令，任意长度的字符串（通常为ASCII 或UTF-8字符）。
  3. S：盐值，8字节。无需保密，增加密文多变性。
  4. c：迭代次数，越大越好，建议不小于1000。
  5. dkLen：导出密钥的字节长度。
  6. T：消息检验码。

内部参数：

  1. MAC：HMAC-SHA1或HMAC-SHA2。

返回数据：

  1. ret：TRUE为验证通过，FALSE为验证失败。

执行步骤：

步骤1：生成导出密钥，DK = PBKDF2 (P, S, c, dkLen)。

步骤2：生成消息检验码T1= MAC(DK, M)。

步骤3：比较T1和T，两者相同则返回ret = TRUE，否则返回ret = FALSE。

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