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;
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happyhippy作者：Silent Void
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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：
Key 0x2b7e151628aed2a6abf7158809cf4f3c
IV 0x000102030405060708090a0b0c0d0e0f
Before encrypt 0x6bc1bee22e409f96e93d7e117393172a
After encrypt 0x7649abac8119b246cee98e9b12e9197d
参考资料：Android AES加密