AES算法（五）GCM工作模式

在以前介绍的基本工作模式中，ECB、CFB、OFB 三种模式可以解决 ECB 模式中相同明文生成相同密文的缺陷，CTR 又可以在此基础上提供多分组并行加密特性，但是它们都不能提供密文消息完整性校验功能，所有就有了 GCM 模式。

讲解 GCM 模式之前，我们先要讲一下 MAC和GMAC。

MAC

MAC 全称是 Message Authentication Code，中文名称为消息认证码，一串由密钥和密文生成的固定值，有时也称 Auth Tag。

MAC 的使用流程如下：

• 首先 Sender 和 Receiver 共享同一个 Key，约定一个 MAC 计算算法 Algorithm
• Sender 把要传递的消息 Message 通过 Key 和 Algorithm 计算出 MAC，将 Message 和 MAC 发送给 Receiver
• Receiver 收到 Message 和 MAC 后，将 Message 通过约定的 Key 和算法 Algorithm 计算出 MAC_1，通过对比 MAC 和 MAC_1 是否相等
  • MAC == MAC_1 消息无篡改且是 Sender 发布的
  • MAC != MAC_1 消息有篡改或者根本不是 Sender 发布的，也就是有问题

消息认证码是密码学家工具箱中的 6 大工具之一：对称密码、公钥密码、单向散列函数、消息认证码、数字签名和伪随机数生成器。

MAC 跟哈希有点像但比哈希要复杂，因为 Mac 的生成和验证过程都是需要密钥的。

GMAC

GMAC 全称是 Galois Message Authentication Code，中文名称为伽罗瓦消息验证码。

GMAC 就是利用伽罗华域（Galois Field，GF，有限域）乘法运算来计算消息的 MAC 值。

GCM 模式

GCM 全称为 Galois/Counter Mode，可以看出 G 是指 GMAC，C 是指 CTR。它在 CTR 加密的基础上增加 GMAC 的特性，解决了 CTR 不能对加密消息进行完整性校验的问题。

GCM 加密所需数据：明文 P、加密密钥 Key、初始向量 IV、附加消息 F。

GCM 加密步骤如下：

• 将 P 分为 P1、P2、…、Pn，Px 长度 <= 128
• 生成累加计数器 c0、c1、c2、…、cn，由密钥 Key 计算出密钥 H
• 将 IV、c0 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_c0，用 Key 加密 IV_c0 得到 IVC0
• 将 IV、c1 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_c1，用 Key 加密 IV_c1 得到 IVC1，将 IVC1、P1 做异或运算得到 C1，用密钥 H 通过 GMAC 算法将附加消息 F 计算出 F1， F1 与 C1 做异或运算得到 FC1
• 将 IV、c2 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_c2，用 Key 加密 IV_c2 得到 IVC2，将 IVC2、P2 做异或运算得到 C2，用密钥 H 通过 GMAC 算法将附加消息 FC1 计算出 F2， F2 与 C2 做异或运算得到 FC2
• …
• 将 IV、cn 进行运算（连接、加和、异或等）得到 IV_cn，用 Key 加密 IV_cn 得到 IVCn，将 IVCn、Pn 做异或运算得到 Cn，用密钥 H 通过 GMAC 算法将附加消息 FC(n-1) 计算出 Fn， Fn 与 Cn 做异或运算得到 FCn
• 拼接 C1、…Cn 得到密文 C，用密钥 H 通过 GMAC 算法结合 FCn 和 IVC0 最终计算出 MAC

GCM 加密步骤相关资料较少，本文根据维基百科大致做了步骤拆解，如有不准确请敬请斧正