正确使用随机数和计数器用于 AES-CTR 模式

Question

我了解在 AES 计数器模式下我需要使用 128 位随机数。天真的方法是使用随机的 128 位随机数，但我不确定如果将计数器作为所有随机位传递，算法是否能够正确递增计数器。我认为正确的做法是使用 96 位随机数和从 0 开始的 32 位计数器，例如：

var key = CryptoJS.enc.Hex.parse('01ab23cd45ef67089a1b2c3d4e5f6a7b'); // 128 bits / 16 bytes
var nonce = '2301cd4ef785690a1b2c3dab'; // 96 bits / 12 bytes
var counter = '00000000'; // 32 bits / 4 bytes
var nonceAndCounter = nonce + counter;
    nonceAndCounter = CryptoJS.enc.Hex.parse(nonceAndCounter);
var plaintext = 'The quick brown fox jumps over the lazy dog.';

var encryption = CryptoJS.AES.encrypt(plaintext, key, { iv: nonceAndCounter, mode: CryptoJS.mode.CTR, padding: CryptoJS.pad.NoPadding });
var ciphertext = encryption.ciphertext.toString(CryptoJS.enc.Hex);

这是使用CryptoJS library 的正确方法吗？或者正确的方法是什么？

Answer 1

我将在深入研究库代码以了解其真正作用时回答我自己的问题。

总结：

答案是您可以使用两种方法中的任何一种，它都会按预期工作：

1) 传入一个长度为 96 位的随机数，库本身将自动添加 32 位计数器，并随着每个生成的密钥流块增加它。例如。

var nonce = CryptoJS.enc.Hex.parse('2301cd4ef785690a1b2c3dab'); // 12 Bytes
var encryption = CryptoJS.AES.encrypt(plaintext, key, { iv: nonce, mode: CryptoJS.mode.CTR, padding: CryptoJS.pad.NoPadding });

2) 传入一个长度为 96 位的随机数，如果需要，还可以显式指定 32 位计数器。如果您想从第 9 个块开始加密/解密，您甚至可以指定像 00000009 这样的计数器。下面是一个从计数器 0 开始的示例：

var nonce = '2301cd4ef785690a1b2c3dab';  // 12 Bytes
var counter = '00000000';                // 4 Bytes, start at counter 0
var nonceAndCounter = CryptoJS.enc.Hex.parse(nonce + counter);  // 16 Bytes
var encryption = CryptoJS.AES.encrypt(plaintext, key, { iv: nonceAndCounter, mode: CryptoJS.mode.CTR, padding: CryptoJS.pad.NoPadding });

解释：

使用问题中的代码与00000000的32位计数器，相关代码在此文件mode-ctr.js中：

/**
 * Counter block mode.
 */
CryptoJS.mode.CTR = (function () {
    var CTR = CryptoJS.lib.BlockCipherMode.extend();

    var Encryptor = CTR.Encryptor = CTR.extend({
        processBlock: function (words, offset) {
            // Shortcuts
            var cipher = this._cipher
            var blockSize = cipher.blockSize;
            var iv = this._iv;
            var counter = this._counter;

            // Generate keystream
            if (iv) {
                counter = this._counter = iv.slice(0);

                // Remove IV for subsequent blocks
                this._iv = undefined;
            }
            var keystream = counter.slice(0);
            cipher.encryptBlock(keystream, 0);

            // Increment counter
            counter[blockSize - 1] = (counter[blockSize - 1] + 1) | 0

            // Encrypt
            for (var i = 0; i < blockSize; i++) {
                words[offset + i] ^= keystream[i];
            }
        }
    });

    CTR.Decryptor = Encryptor;

    return CTR;
}());

当使用断点在浏览器 JS 调试器中运行此代码时，它会将 nonceAndCounter 转换为由 32 位元素组成的 WordArray：

[587320654, -142251766, 455884203, 0]

这用于加密一个块。要加密下一个块，它运行此行：

counter[blockSize - 1] = (counter[blockSize - 1] + 1) | 0

计算取 counter[3] 元素，即整数 0 并将其递增到：

[587320654, -142251766, 455884203, 1]

我可以看到后续的块和随机数...

[587320654, -142251766, 455884203, 2]

[587320654, -142251766, 455884203, 3]

[587320654, -142251766, 455884203, 4]

等等。所以它似乎以这种方式正常工作。

将此与传递 128 位随机 nonce 时的工作方式进行对比，例如

var nonceAndCounter = CryptoJS.enc.Hex.parse('2301cd4ef785690a1b2c3dabdf99a9b3');

这会产生一个随机数：

[587320654, -142251766, 455884203, -543577677, 0]

所以它创建了 5 个数组元素！？然后该函数将第四个元素从​​-543577677 递增到-543577676，然后是-543577675，然后是-543577674，以此类推。所以它在某种程度上仍然有效，但不像从 0 开始那样递增，而且可能更容易出错。

当我只传入一个 96 位随机数时，库会自动将起始计数器作为 0 添加到计数器数组的末尾，并为后续块正确递增。例如

[587320654, -142251766, 455884203, 0]
[587320654, -142251766, 455884203, 1]
[587320654, -142251766, 455884203, 2]