TIMAC 学习笔记(三)

本文主要内容参考《Security on TI IEEE 802.15.4 Compliant RF Devices》、《Design Note DN108》、《IEEE 802.15.4协议规范》来考察MAC层的安全机制。

１. MAC层安全机制

先简要介绍一下MAC层的帧格式，下图为通用MAC帧类型。

其中的，Frame Control域结构如下：

Frame Type表示帧类型，MAC层共有四种类型的帧，信标帧、数据帧、命令帧和确认帧。

Security Enable是MAC层的安全保护使能帧，当它设置为１时，Auxiliary Security Header就必须要存在。此域的包含一些同安全传输相关的设置，例如安全级别、密钥来源等，安全帧域长度随着不同的安全级别设置而取不同的数值。以下是安全域的组成。

当开启安全后，Security control位不能为０，用来表示安全级别，Security control字节中的[BIT1,BIT0]表示Security level，[BIT3,BIT2]表示key identifier mode.Key identifier仅仅的那个key identifier mode 大于０时才会被包含在传输帧中。详情如下图。

Frame counter用来确保每个帧的唯一性。

在IEEE 802.15.4-2006规范中，ENC-MIC用在MAC命令帧传输上，ENC用到MAC数据帧上，MIC用在信标帧上。

２. AES加密模式

AES是一种加密方法，结合不同的密钥，能够一次对指定长度的数据进行加密。当待加密的数据有很多时，就会有不同的策略来使用AES来加密。常用的有ECB、CTR、CBC-MAC、CCM几种模式。

2.1 ECB模式

ECB模式就是最基本的使用密钥，一次对16个字节的明文进行加密。这种加密模式的缺点就是，同样的明文输入会产生同样的密文输出，这使得它很容易在数据中识别出来。为了改进这种缺陷，人们提出了ECB-CBC模式。

2.2 ECB-CBC模式

这种模式，在ECB的基础上，后一个待加密明文在进入加密之前，与前一个加密密文输出进行异或，然后进行加密阶段。这样，每段密文输出独立于所有明文块，那么第一个明文块怎么保证它的独立性呢？人们引入了一个IV，在第一个明文块加密前，先与此IV进行异或处理，然后进行后续的链式加密处理。IV向量需要在收发双方之间保持同步。

2.3 CFB模式

优点：

1.隐藏了明文模式;

2.分组密码转化为流模式;

3.可以及时加密传送小于分组的数据;

缺点:

1.不利于并行计算;

2.误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元;

3.唯一的IV;

2.3 OFB模式

优点:

1.隐藏了明文模式;

2.分组密码转化为流模式;

3.可以及时加密传送小于分组的数据;

缺点:

1.不利于并行计算;

2.对明文的主动攻击是可能的;

3.误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元;

以上部分内容转载自：

happyhippy作者：Silent Void
出处：http://happyhippy.cnblogs.com/
转载须保留此声明，并注明在文章起始位置给出原文链接。

2.3 CTR模式

CTR模式只是仅仅用来加密的模式，为了确保唯一性，对于每个帧，需要有一个随机数nonce。这个随机数被收发双方用一个已知的Key来加密，用加密后的密文与带加密的明文异或。CTR模式每次只对16个字节块加密，如果最后一个字节块不足16个字节，则补０填充。

2.4 CBC-MAC模式

CBC-MAC仅仅用来做完整性验证。这种模式不包含加密帧，仅仅用于认证。被认证的数据划分为以16个字节为单位的块，不足的补０.这种操作模式产生的结果为１６字节的数据，只取前M个字节(M=4,8,16),具体取决于软件设置多少位的认证字节数。

2.5 CCM模式

CCM模式是CTR模式和CBC-MAC的混合体，既有加密功能、又有验证功能。它会先在帧上添加认证帧，然后对进行CTR模式的加密。这里有IV向量，详细组成如下：

Sequence counter计算一个帧中16个字节块数。Flags标志域由如下组成:

Reserved保留位，设置为０.Adata用于指示传输帧中是否有认证数据.M是认证域的长度，具体编码为(认证字节长度-2)/2,有效值范围在[4-16]之间。

3. 抓包分析

基于TIMAC的安全数据发送分析

Level = 5 ,说明是加密加上MIC32，即４个字节的验证码，Key_id_mode等于１，Key_index等于3.

4. AES加密相关

CC2530片上含有硬件AES加密引擎，内部可以通过字节传输或者DMA传输，它能够直接支持ECB、CTR、CBC-MAC这几种模式，不能直接支持CCM模式，需要软件来配合使用CTR模式和CBC_MAC模式。

AES协处理器以１６个字节为单位工作。一大块数据加载进AES处理器，加密自动执行，结果必须在下一大块数据载入之前，读取出来。在每块数据加载之前，一个开始加密的命令，必须发送给协处理器。

当使用CFB、OFB或者CTR模式时，16字节的加密块将分成４组，每组４个字节。每４个字节加载进入，然后读取４个字节的加密密文结果。

CBC-MAC是CBC模式的变体，当工作在CBC-MAC模式时，一次载入16个字节的数据，除了最后一块数据，在最后一块数据载入之前，需要将加密模式设置为CBC.当最后一块数据载入完成后，读取出来的就是消息的认证码。

CCM模式是CBC-MAC模式和CTR模式的结合。

一个完整的加密配置，包括双方的工作模式、填充模式、初始化向量。这三种因素一个都不能少，通讯双方要一致。

以下以相关的具体代码来分析AES硬件加密引擎的使用。

在实验这个AES加密引擎的时候，参考了《DN108 Using Encrytion in CC111xFx_CC243x and CC251xFx swra173.pdf》，但是，一步一步按照文档上的来，会卡死在最后一步。这个地方折腾了我好久好久，经过和datasheet详细对比后，终于解决了这个问题。

unsigned char iv_nonce[SIZE_OF_AES_BLOCK]
  = {0xf1, 0xf1, 0xf2, 0xf3, 0xf4, 0xf5, 0xf6, 0xf7, 0xf8, 0xf9, 0xfa, 0xfb, 0xfc, 0xfd, 0xfe, 0xff};

  
  /******************************************************************************  
 * @fn      SmartLock_Encrypt  
 *  
 * @brief   Performs CCM encryption.   
 *          the Output buffer must large than input buffer. and the length of 
 *          the Output buffer should be the 16 multiple.
 * input parameters  
 *  
 * @param   Input    - Pointer to pre-encrypt string 
 * @param   Len      - Length of Input[] in octets  
 * @param   AesKey   - Pointer to AES Key 
 *  
 * output parameters  
 *  
 * @param   Output   - Pointer to after-encrypt string  
 *  
 * @return  None  
 *  
 */ 
extern void SmartLock_Encrypt(uint8 *Input,uint8 *Output,uint8 Len,uint8 *AesKey);
void SmartLock_Encrypt(uint8 *Input,uint8 *Output,uint8 Len,uint8 *AesKey)
{
  uint8 i, j;
  //HalAesInit();
#if 1
  uint8 blocks,remainder;
  uint8 *bptr;
  
  //Calcute the AES block length
  blocks = Len >> 4;
  remainder = Len & 0x0f;
  if(remainder)blocks++;
  
  bptr = (uint8 *)osal_mem_alloc(blocks * SIZE_OF_AES_BLOCK);
  if(!bptr)return;
  osal_memcpy(bptr,Input,Len);
  if(Len != SIZE_OF_AES_BLOCK){
    osal_memcpy(bptr+Len,0,SIZE_OF_AES_BLOCK - remainder);
  }
#endif  
  
  #if 0
  AES_SET_MODE(AES_MODE_CTR);         //CTR mode.16 bytes divide into 4 group.
  #else
  AES_SET_MODE(AES_MODE_CBC);
  //AES_SET_MODE(AES_MODE_CFB); 
  //AES_SET_MODE(AES_MODE_OFB);
  //AES_SET_MODE(AES_MODE_ECB);
  #endif
  
  //1. Download Key (Set ENCCS.CMD = 10b),
  // and start corresponding AES process (ENCCS.ST = 1)
  AES_SET_OPERATION(AES_LOAD_KEY);
  AES_START();
  for (i = 0; i < SIZE_OF_AES_BLOCK; i++) 
  {
    ENCDI = AesKey[i];
  }
  
  // Monitor AES (ENCCS.RDY) to wait until key downloaded
  while(!(ENCCS & 0x08));

  //2. Dwonload IV/NONCE (Set ENCCS.CMD = 11b)
  // and start corresponding AES process (ENCCS.ST = 1)
  AES_SET_OPERATION(AES_LOAD_IV);
  AES_START();
  for (i = 0; i < SIZE_OF_AES_BLOCK; i++) 
  {
    ENCDI = iv_nonce[i];
  }
  
  // Monitor AES (ENCCS.RDY) to wait until IV/NONCE downloaded
  while(!(ENCCS & 0x08));
  
  //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  AES_SET_OPERATION(AES_ENCRYPT);
  // 3. Perform AES encryption/decryption on allocated AES buffer ("aes_buffer_1"):
#if 0 // use for CFB OFB CTR mode
  for (j = 0; j < blocks; j++) 
  {
     AES_START();
    // In CTR mode need to write data in block of 32 bits
    unsigned short jj, k;
    for(jj = 0; jj < 4 ; jj++)
    {
        // Writing the input data with zero-padding
        for(k = 0; k < 4; k++)
        {
          ENCDI = bptr[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k];
          //ENCDI = Input[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k];
        }
        while(!(ENCCS & 0x08))
        {
          wait_count++;
          if(wait_count == 0x00FF)
          {
              wait_count = 0;
              break;
          } 
        }           
        // Read out data for every 4th byte
        for(k = 0; k < 4; k++)
        {
          Output[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k] = ENCDO;
        }
    }  
  }
#else //use for ECB CBC mode
    for(j = 0; j< blocks ; j++)
    {
        AES_START();
        unsigned short jj, k;
 
        // Writing the input data with zero-padding
        for(k = 0; k < 16; k++)
        {
          ENCDI = bptr[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + k];
          //ENCDI = Input[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k];
        }
        
        while(!(ENCCS & 0x08))
        {
          wait_count++;
          if(wait_count == 0x00FF)
          {
              wait_count = 0;
              break;
          }
          
        }      
        // Read out data for every 4th byte
        for(k = 0; k < 16; k++)
        {
          Output[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + k] = ENCDO;
        }
    }
#endif
  
#if 1
  osal_mem_free(bptr);
#endif
}

/******************************************************************************  
 * @fn      SmartLock_Decrypt  
 *  
 * @brief   Performs CCM decryption.   
 *          the Output Buffer must great than the Input Buffer, and the Output
 *          Buffer length must be the 16 multiple.
 * input parameters  
 *  
 * @param   Input    - Pointer to pre-decrypt string 
 * @param   Len      - Length of Input[] in octets  
 * @param   AesKey  - Pointer to AES Key or Pointer to Key Expansion buffer.  
 *  
 * output parameters  
 *  
 * @param   Output   - Pointer to after-decrypt string  
 *  
 * @return  None  
 *  
 */ 
extern void SmartLock_Decrypt(uint8 *Input,uint8 *Output,uint8 Len,uint8 *AesKey);
void SmartLock_Decrypt(uint8 *Input,uint8 *Output,uint8 Len,uint8 *AesKey)
{
  unsigned short i, j;
  //HalAesInit();
#if 1
  uint8 blocks,remainder;
  uint8 *bptr;
  
  //Calcute the AES block length
  blocks = Len >> 4;
  remainder = Len & 0x0f;
  if(remainder)blocks++;
  
  bptr = (uint8 *)osal_mem_alloc(blocks * SIZE_OF_AES_BLOCK);
  if(!bptr)return;
  osal_memset( bptr, 0, blocks * SIZE_OF_AES_BLOCK ); 
#endif  
  
#if 0
    AES_SET_MODE(AES_MODE_CTR);
#else
    AES_SET_MODE(AES_MODE_CBC);
    //AES_SET_MODE(AES_MODE_CFB);
    //AES_SET_MODE(AES_MODE_OFB);
    //AES_SET_MODE(AES_MODE_ECB);
#endif
  
  //1. Download Key (Set ENCCS.CMD = 10b),
  // and start corresponding AES process (ENCCS.ST = 1)
  AES_SET_OPERATION(AES_LOAD_KEY);
  AES_START();
  for (i = 0; i < SIZE_OF_AES_BLOCK; i++) 
  {
    ENCDI = AesKey[i];
  }
  
  // Monitor AES (ENCCS.RDY) to wait until key downloaded
  while(!(ENCCS & 0x08));

  //2. Dwonload IV/NONCE (Set ENCCS.CMD = 11b)
  // and start corresponding AES process (ENCCS.ST = 1)
  AES_SET_OPERATION(AES_LOAD_IV);
  AES_START();
  
  for (i = 0; i < SIZE_OF_AES_BLOCK; i++) 
  {
    ENCDI = iv_nonce[i];
  }
  
  // Monitor AES (ENCCS.RDY) to wait until IV/NONCE downloaded
  while(!(ENCCS & 0x08)); 
  //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  AES_SET_OPERATION(AES_DECRYPT);
 
  // 3. Perform AES encryption/decryption on allocated AES buffer ("aes_buffer_1"):
#if 0  //test for CFB OFB CTR mode
  for (j = 0; j < blocks; j++) 
  {
    AES_START();
    // In CTR mode need to write data in block of 32 bits
    unsigned short jj, k;
    for(jj = 0; jj < 4 ; jj++)
    {
        // Writing the input data with zero-padding
        for(k = 0; k < 4; k++)
        {
          ENCDI = Input[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k];
        }
        while(!(ENCCS & 0x08))
        {
            wait_count++;
            if(wait_count == 0xFF)
            {
              wait_count = 0;
              break;
            }
            
        }            
        // Read out data for every 4th byte
        for(k = 0; k < 4; k++)
        {
          bptr[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k] = ENCDO;
          //Output[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k] = ENCDO;
        }
    }
  }
#else //test ECB CBC mode
  for (j = 0; j < blocks; j++) 
  {
    AES_START();
    
     // In CBC mode need to write data in block of 16 bytes
    unsigned short jj, k;
   
    // Writing the input data with zero-padding
    for(k = 0; k < 16; k++)
    {
      ENCDI = Input[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + k];
    }
    while(!(ENCCS & 0x08))
    {
        wait_count++;
        if(wait_count == 0xFF)
        {
            wait_count = 0;
            break;
        }         
    }
    // Read out data for every 4th byte
    for(k = 0; k < 16; k++)
    {
      bptr[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + k] = ENCDO;
      //Output[(j*SIZE_OF_AES_BLOCK) + 4*jj + k] = ENCDO;
    }
  }  
#endif         
  
#if 1
  osal_memcpy(Output,bptr,Len);
  osal_mem_free(bptr);   
#endif
}

这里面要特别注意下面这句话。

while(!(ENCCS & 0x08)) { wait_count++; if(wait_count == 0xFF) { wait_count = 0; break; } } 在等待硬件加密完成时，不能一直用while循环死等，要有超时推出处理，否则，就会卡死在这里，这是血泪的教训。

AES加密要求16字节块对齐，因此，如果加密字节不是16字节的倍数，输出缓存需要足够的空间(16字节的倍数)来容纳加密密文。

上述两个函数实现了ECB、CBC、CFB、OFB、CTR模式的加密。最后在考虑各种加密模式的优劣性，选用CBC模式加密。CCM模式太复杂，就没研究了。

测试结果:

ECB模式加密：

Key 0x2b7e151628aed2a6abf7158809cf4f3c

Before encrypt 0x6bc1bee22e409f96e93d7e117393172a

After encrypt 0x3ad77bb40d7a3660a89ecaf32466ef97

备注：用于加密的数组输入，采用的是大端模式输入，即Key的输入数组 Arrar[0] = 0x2B ,而不是0x3C，密文和IV也是同样的理解。

CBC模式加密：