杨锴
2024-08-14 909e20941e45f8712c012db602034b47da0bfdb0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
//
//  CryptoSwift
//
//  Copyright (C) 2014-2022 Marcin Krzyżanowski <marcin@krzyzanowskim.com>
//  This software is provided 'as-is', without any express or implied warranty.
//
//  In no event will the authors be held liable for any damages arising from the use of this software.
//
//  Permission is granted to anyone to use this software for any purpose,including commercial applications, and to alter it and redistribute it freely, subject to the following restrictions:
//
//  - The origin of this software must not be misrepresented; you must not claim that you wrote the original software. If you use this software in a product, an acknowledgment in the product documentation is required.
//  - Altered source versions must be plainly marked as such, and must not be misrepresented as being the original software.
//  - This notice may not be removed or altered from any source or binary distribution.
//
 
// CCM mode combines the well known CBC-MAC with the well known counter mode of encryption.
// https://tools.ietf.org/html/rfc3610
// https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-38c/final
 
#if canImport(Darwin)
import Darwin
#elseif canImport(Glibc)
import Glibc
#elseif canImport(ucrt)
import ucrt
#elseif canImport(WASILibc)
import WASILibc
#endif
 
/// Counter with Cipher Block Chaining-Message Authentication Code
public struct CCM: StreamMode {
  public enum Error: Swift.Error {
    /// Invalid IV
    case invalidInitializationVector
    case invalidParameter
    case fail
  }
 
  public let options: BlockModeOption = [.initializationVectorRequired, .useEncryptToDecrypt]
  private let nonce: Array<UInt8>
  private let additionalAuthenticatedData: Array<UInt8>?
  private let tagLength: Int
  private let messageLength: Int // total message length. need to know in advance
  public let customBlockSize: Int? = nil
 
  // `authenticationTag` nil for encryption, known tag for decryption
  /// For encryption, the value is set at the end of the encryption.
  /// For decryption, this is a known Tag to validate against.
  public var authenticationTag: Array<UInt8>?
 
  /// Initialize CCM
  ///
  /// - Parameters:
  ///   - iv: Initialization vector. Nonce. Valid length between 7 and 13 bytes.
  ///   - tagLength: Authentication tag length, in bytes. Value of {4, 6, 8, 10, 12, 14, 16}.
  ///   - messageLength: Plaintext message length (excluding tag if attached). Length have to be provided in advance.
  ///   - additionalAuthenticatedData: Additional authenticated data.
  public init(iv: Array<UInt8>, tagLength: Int, messageLength: Int, additionalAuthenticatedData: Array<UInt8>? = nil) {
    self.nonce = iv
    self.tagLength = tagLength
    self.additionalAuthenticatedData = additionalAuthenticatedData
    self.messageLength = messageLength // - tagLength
  }
 
  /// Initialize CCM
  ///
  /// - Parameters:
  ///   - iv: Initialization vector. Nonce. Valid length between 7 and 13 bytes.
  ///   - tagLength: Authentication tag length, in bytes. Value of {4, 6, 8, 10, 12, 14, 16}.
  ///   - messageLength: Plaintext message length (excluding tag if attached). Length have to be provided in advance.
  ///   - authenticationTag: Authentication Tag value if not concatenated to ciphertext.
  ///   - additionalAuthenticatedData: Additional authenticated data.
  public init(iv: Array<UInt8>, tagLength: Int, messageLength: Int, authenticationTag: Array<UInt8>, additionalAuthenticatedData: Array<UInt8>? = nil) {
    self.init(iv: iv, tagLength: tagLength, messageLength: messageLength, additionalAuthenticatedData: additionalAuthenticatedData)
    self.authenticationTag = authenticationTag
  }
 
  public func worker(blockSize: Int, cipherOperation: @escaping CipherOperationOnBlock, encryptionOperation: @escaping CipherOperationOnBlock) throws -> CipherModeWorker {
    if self.nonce.isEmpty {
      throw Error.invalidInitializationVector
    }
 
    return CCMModeWorker(blockSize: blockSize, nonce: self.nonce.slice, messageLength: self.messageLength, additionalAuthenticatedData: self.additionalAuthenticatedData, tagLength: self.tagLength, cipherOperation: cipherOperation)
  }
}
 
class CCMModeWorker: StreamModeWorker, SeekableModeWorker, CounterModeWorker, FinalizingEncryptModeWorker, FinalizingDecryptModeWorker {
  typealias Counter = Int
  var counter = 0
 
  let cipherOperation: CipherOperationOnBlock
  let blockSize: Int
  private let tagLength: Int
  private let messageLength: Int // total message length. need to know in advance
  private let q: UInt8
 
  let additionalBufferSize: Int
  private var keystreamPosIdx = 0
  private let nonce: Array<UInt8>
  private var last_y: ArraySlice<UInt8> = []
  private var keystream: Array<UInt8> = []
  // Known Tag used to validate during decryption
  private var expectedTag: Array<UInt8>?
 
  public enum Error: Swift.Error {
    case invalidParameter
  }
 
  init(blockSize: Int, nonce: ArraySlice<UInt8>, messageLength: Int, additionalAuthenticatedData: [UInt8]?, expectedTag: Array<UInt8>? = nil, tagLength: Int, cipherOperation: @escaping CipherOperationOnBlock) {
    self.blockSize = 16 // CCM is defined for 128 block size
    self.tagLength = tagLength
    self.additionalBufferSize = tagLength
    self.messageLength = messageLength
    self.expectedTag = expectedTag
    self.cipherOperation = cipherOperation
    self.nonce = Array(nonce)
    self.q = UInt8(15 - nonce.count) // n = 15-q
 
    let hasAssociatedData = additionalAuthenticatedData != nil && !additionalAuthenticatedData!.isEmpty
    self.processControlInformation(nonce: self.nonce, tagLength: tagLength, hasAssociatedData: hasAssociatedData)
 
    if let aad = additionalAuthenticatedData, hasAssociatedData {
      self.process(aad: aad)
    }
  }
 
  // For the very first time setup new IV (aka y0) from the block0
  private func processControlInformation(nonce: [UInt8], tagLength: Int, hasAssociatedData: Bool) {
    let block0 = try! format(nonce: nonce, Q: UInt32(self.messageLength), q: self.q, t: UInt8(tagLength), hasAssociatedData: hasAssociatedData).slice
    let y0 = self.cipherOperation(block0)!.slice
    self.last_y = y0
  }
 
  private func process(aad: [UInt8]) {
    let encodedAAD = format(aad: aad)
 
    for block_i in encodedAAD.batched(by: 16) {
      let y_i = self.cipherOperation(xor(block_i, self.last_y))!.slice
      self.last_y = y_i
    }
  }
 
  private func S(i: Int) throws -> [UInt8] {
    let ctr = try format(counter: i, nonce: nonce, q: q)
    return self.cipherOperation(ctr.slice)!
  }
 
  @inlinable
  func seek(to position: Int) throws {
    self.counter = position
    self.keystream = try self.S(i: position)
    let offset = position % self.blockSize
    self.keystreamPosIdx = offset
  }
 
  func encrypt(block plaintext: ArraySlice<UInt8>) -> Array<UInt8> {
    var result = Array<UInt8>(reserveCapacity: plaintext.count)
 
    var processed = 0
    while processed < plaintext.count {
      // Need a full block here to update keystream and do CBC
      if self.keystream.isEmpty || self.keystreamPosIdx == self.blockSize {
        // y[i], where i is the counter. Can encrypt 1 block at a time
        self.counter += 1
        guard let S = try? S(i: counter) else { return Array(plaintext) }
        let plaintextP = addPadding(Array(plaintext), blockSize: blockSize)
        guard let y = cipherOperation(xor(last_y, plaintextP)) else { return Array(plaintext) }
        self.last_y = y.slice
 
        self.keystream = S
        self.keystreamPosIdx = 0
      }
 
      let xored: Array<UInt8> = xor(plaintext[plaintext.startIndex.advanced(by: processed)...], keystream[keystreamPosIdx...])
      keystreamPosIdx += xored.count
      processed += xored.count
      result += xored
    }
    return result
  }
 
  @inlinable
  func finalize(encrypt ciphertext: ArraySlice<UInt8>) throws -> ArraySlice<UInt8> {
    // concatenate T at the end
    guard let S0 = try? S(i: 0) else { return ciphertext }
 
    let computedTag = xor(last_y.prefix(self.tagLength), S0) as ArraySlice<UInt8>
    return ciphertext + computedTag
  }
 
  // Decryption is stream
  // CBC is block
  private var accumulatedPlaintext: [UInt8] = []
 
  func decrypt(block ciphertext: ArraySlice<UInt8>) -> Array<UInt8> {
    var output = Array<UInt8>(reserveCapacity: ciphertext.count)
 
    do {
      var currentCounter = self.counter
      var processed = 0
      while processed < ciphertext.count {
        // Need a full block here to update keystream and do CBC
        // New keystream for a new block
        if self.keystream.isEmpty || self.keystreamPosIdx == self.blockSize {
          currentCounter += 1
          guard let S = try? S(i: currentCounter) else { return Array(ciphertext) }
          self.keystream = S
          self.keystreamPosIdx = 0
        }
 
        let xored: Array<UInt8> = xor(ciphertext[ciphertext.startIndex.advanced(by: processed)...], keystream[keystreamPosIdx...]) // plaintext
        keystreamPosIdx += xored.count
        processed += xored.count
        output += xored
        self.counter = currentCounter
      }
    }
 
    // Accumulate plaintext for the MAC calculations at the end.
    // It would be good to process it together though, here.
    self.accumulatedPlaintext += output
 
    // Shouldn't return plaintext until validate tag.
    // With incremental update, can't validate tag until all block are processed.
    return output
  }
 
  @inlinable
  func finalize(decrypt plaintext: ArraySlice<UInt8>) throws -> ArraySlice<UInt8> {
    // concatenate T at the end
    let computedTag = Array(last_y.prefix(self.tagLength))
    guard let expectedTag = self.expectedTag, expectedTag == computedTag else {
      throw CCM.Error.fail
    }
 
    return plaintext
  }
 
  @discardableResult
  func willDecryptLast(bytes ciphertext: ArraySlice<UInt8>) throws -> ArraySlice<UInt8> {
    // get tag of additionalBufferSize size
    // `ciphertext` contains at least additionalBufferSize bytes
    // overwrite expectedTag property used later for verification
    guard let S0 = try? S(i: 0) else { return ciphertext }
    self.expectedTag = xor(ciphertext.suffix(self.tagLength), S0) as [UInt8]
    return ciphertext[ciphertext.startIndex..<ciphertext.endIndex.advanced(by: -Swift.min(tagLength, ciphertext.count))]
  }
 
  @inlinable
  func didDecryptLast(bytes plaintext: ArraySlice<UInt8>) throws -> ArraySlice<UInt8> {
 
    // Calculate Tag, from the last CBC block, for accumulated plaintext.
    var processed = 0
    for block in self.accumulatedPlaintext.batched(by: self.blockSize) {
      let blockP = addPadding(Array(block), blockSize: blockSize)
      guard let y = cipherOperation(xor(last_y, blockP)) else { return plaintext }
      self.last_y = y.slice
      processed += block.count
    }
    self.accumulatedPlaintext.removeFirst(processed)
    return plaintext
  }
}
 
// Q - octet length of P
// q - octet length of Q. Maximum length (in octets) of payload. An element of {2,3,4,5,6,7,8}
// t - octet length of T (MAC length). An element of {4,6,8,10,12,14,16}
private func format(nonce N: [UInt8], Q: UInt32, q: UInt8, t: UInt8, hasAssociatedData: Bool) throws -> [UInt8] {
  var flags0: UInt8 = 0
 
  if hasAssociatedData {
    // 7 bit
    flags0 |= (1 << 6)
  }
 
  // 6,5,4 bit is t in 3 bits
  flags0 |= (((t - 2) / 2) & 0x07) << 3
 
  // 3,2,1 bit is q in 3 bits
  flags0 |= ((q - 1) & 0x07) << 0
 
  var block0: [UInt8] = Array<UInt8>(repeating: 0, count: 16)
  block0[0] = flags0
 
  // N in 1...(15-q) octets, n = 15-q
  // n is an element of {7,8,9,10,11,12,13}
  let n = 15 - Int(q)
  guard (n + Int(q)) == 15 else {
    // n+q == 15
    throw CCMModeWorker.Error.invalidParameter
  }
  block0[1...n] = N[0...(n - 1)]
 
  // Q in (16-q)...15 octets
  block0[(16 - Int(q))...15] = Q.bytes(totalBytes: Int(q)).slice
 
  return block0
}
 
/// Formatting of the Counter Blocks. Ctr[i]
/// The counter generation function.
/// Q - octet length of P
/// q - octet length of Q. Maximum length (in octets) of payload. An element of {2,3,4,5,6,7,8}
private func format(counter i: Int, nonce N: [UInt8], q: UInt8) throws -> [UInt8] {
  var flags0: UInt8 = 0
 
  // bit 8,7 is Reserved
  // bit 4,5,6 shall be set to 0
  // 3,2,1 bit is q in 3 bits
  flags0 |= ((q - 1) & 0x07) << 0
 
  var block = Array<UInt8>(repeating: 0, count: 16) // block[0]
  block[0] = flags0
 
  // N in 1...(15-q) octets, n = 15-q
  // n is an element of {7,8,9,10,11,12,13}
  let n = 15 - Int(q)
  guard (n + Int(q)) == 15 else {
    // n+q == 15
    throw CCMModeWorker.Error.invalidParameter
  }
  block[1...n] = N[0...(n - 1)]
 
  // [i]8q in (16-q)...15 octets
  block[(16 - Int(q))...15] = i.bytes(totalBytes: Int(q)).slice
 
  return block
}
 
/// Resulting can be partitioned into 16-octet blocks
private func format(aad: [UInt8]) -> [UInt8] {
  let a = aad.count
 
  switch Double(a) {
    case 0..<65280: // 2^16-2^8
      // [a]16
      return addPadding(a.bytes(totalBytes: 2) + aad, blockSize: 16)
    case 65280..<4_294_967_296: // 2^32
      // [a]32
      return addPadding([0xFF, 0xFE] + a.bytes(totalBytes: 4) + aad, blockSize: 16)
    case 4_294_967_296..<pow(2, 64): // 2^64
      // [a]64
      return addPadding([0xFF, 0xFF] + a.bytes(totalBytes: 8) + aad, blockSize: 16)
    default:
      // Reserved
      return addPadding(aad, blockSize: 16)
  }
}
 
// If data is not a multiple of block size bytes long then the remainder is zero padded
// Note: It's similar to ZeroPadding, but it's not the same.
private func addPadding(_ bytes: Array<UInt8>, blockSize: Int) -> Array<UInt8> {
  if bytes.isEmpty {
    return Array<UInt8>(repeating: 0, count: blockSize)
  }
 
  let remainder = bytes.count % blockSize
  if remainder == 0 {
    return bytes
  }
 
  let paddingCount = blockSize - remainder
  if paddingCount > 0 {
    return bytes + Array<UInt8>(repeating: 0, count: paddingCount)
  }
  return bytes
}