RFC 4418 - UMAC: Message Authentication Code using Universal

时间:2006-11-02 来源: 作者: 点击:
NetworkWorkingGroupT.Krovetz,Ed. RequestforComments:4418CSUSacramento Category:InformationalMarch2006 UMAC:MessageAuthenticationCodeusingUniversalHashing StatusofThisMemo ThismemoprovidesinformationfortheInternetcommunity.Itdoes notspecifyanInternets
  Network Working Group                                    T. Krovetz, Ed.
Request for Comments: 4418                                CSU Sacramento
Category: Informational                                       March 2006

       UMAC: Message Authentication Code using Universal Hashing

Status of This Memo

   This memo provides information for the Internet community.  It does
   not specify an Internet standard of any kind.  Distribution of this
   memo is unlimited.

Copyright Notice

   Copyright (C) The Internet Society (2006).

Abstract

   This specification describes how to generate an authentication tag
   using the UMAC message authentication algorithm.  UMAC is designed to
   be very fast to compute in software on contemporary uniprocessors.
   Measured speeds are as low as one cycle per byte.  UMAC relies on
   addition of 32-bit and 64-bit numbers and multiplication of 32-bit
   numbers, operations well-supported by contemporary machines.

   To generate the authentication tag on a given message, a "universal"
   hash function is applied to the message and key to produce a short,
   fixed-length hash value, and this hash value is then xor’ed with a
   key-derived pseudorandom pad.  UMAC enjoys a rigorous security
   analysis, and its only internal "cryptographic" component is a block
   cipher used to generate the pseudorandom pads and internal key
   material.

Table of Contents

   1. Introduction ....................................................3
   2. Notation and Basic Operations ...................................4
      2.1. Operations on strings ......................................4
      2.2. Operations on Integers .....................................5
      2.3. String-Integer Conversion Operations .......................6
      2.4. Mathematical Operations on Strings .........................6
      2.5. ENDIAN-SWAP: Adjusting Endian Orientation ..................6
           2.5.1. ENDIAN-SWAP Algorithm ...............................6
   3. Key- and Pad-Derivation Functions ...............................7
      3.1. Block Cipher Choice ........................................7
      3.2. KDF: Key-Derivation Function ...............................8
           3.2.1. KDF Algorithm .......................................8
      3.3. PDF: Pad-Derivation Function ...............................8
           3.3.1. PDF Algorithm .......................................9
   4. UMAC Tag Generation ............................................10
      4.1. UMAC Algorithm ............................................10
      4.2. UMAC-32, UMAC-64, UMAC-96, and UMAC-128 ...................10
   5. UHASH: Universal Hash Function .................................10
      5.1. UHASH Algorithm ...........................................11
      5.2. L1-HASH: First-Layer Hash .................................12
           5.2.1. L1-HASH Algorithm ..................................12
           5.2.2. NH Algorithm .......................................13
      5.3. L2-HASH: Second-Layer Hash ................................14
           5.3.1. L2-HASH Algorithm ..................................14
           5.3.2. POLY Algorithm .....................................15
      5.4. L3-HASH: Third-Layer Hash .................................16
           5.4.1. L3-HASH Algorithm ..................................16
   6. Security Considerations ........................................17
      6.1. Resistance to Cryptanalysis ...............................17
      6.2. Tag Lengths and Forging Probability .......................17
      6.3. Nonce Considerations ......................................19
      6.4. Replay Attacks ............................................20
      6.5. Tag-Prefix Verification ...................................21
      6.6. Side-Channel Attacks ......................................21
   7. Acknowledgements ...............................................21
   Appendix. Test Vectors ............................................22
   References ........................................................24
      Normative References ...........................................24
      Informative References .........................................24

1.  Introduction

   UMAC is a message authentication code (MAC) algorithm designed for
   high performance.  It is backed by a rigorous formal analysis, and
   there are no intellectual property claims made by any of the authors
   to any ideas used in its design.

   UMAC is a MAC in the style of Wegman and Carter [4, 7].  A fast
   "universal" hash function is used to hash an input message M into a
   short string.  This short string is then masked by xor’ing with a
   pseudorandom pad, resulting in the UMAC tag.  Security depends on the
   sender and receiver sharing a randomly-chosen secret hash function
   and pseudorandom pad.  This is achieved by using keyed hash function
   H and pseudorandom function F.  A tag is generated by performing the
   computation

     Tag = H_K1(M) xor F_K2(Nonce)

   where K1 and K2 are secret random keys shared by sender and receiver,
   and Nonce is a value that changes with each generated tag.  The
   receiver needs to know which nonce was used by the sender, so some
   method of synchronizing nonces needs to be used.  This can be done by
   explicitly sending the nonce along with the message and tag, or
   agreeing upon the use of some other non-repeating value such as a
   sequence number.  The nonce need not be kept secret, but care needs
   to be taken to ensure that, over the lifetime of a UMAC key, a
   different nonce is used with each message.

   UMAC uses a keyed function, called UHASH (also specified in this
   document), as the keyed hash function H and uses a pseudorandom
   function F whose default implementation uses the Advanced Encryption
   Standard (AES) algorithm.  UMAC is designed to produce 32-, 64-, 96-,
   or 128-bit tags, depending on the desired security level.  The theory
   of Wegman-Carter MACs and the analysis of UMAC show that if one
   "instantiates" UMAC with truly random keys and pads then the
   probability that an attacker (even a computationally unbounded one)
   produces a correct tag for any message of its choosing is no more
   than 1/2^30, 1/2^60, 1/2^90, or 1/2^120 if the tags output by UMAC
   are of length 32, 64, 96, or 128 bits, respectively (here the symbol
   ^ represents exponentiation).  When an attacker makes N forgery
   attempts, the probability of getting one or more tags right increases
   linearly to at most N/2^30, N/2^60, N/2^90, or N/2^120.  In a real
   implementation of UMAC, using AES to produce keys and pads, the
   forgery probabilities listed above increase by a small amount related
   to the security of AES.  As long as AES is secure, this small
   additive term is insignificant for any practical attack.  See Section
   6.2 for more details.  Analysis relevant to UMAC security is in
   [3, 6].

   UMAC performs best in environments where 32-bit quantities are
   efficiently multiplied into 64-bit results.  In producing 64-bit tags
   on an Intel Pentium 4 using SSE2 instructions, which do two of these
   multiplications in parallel, UMAC processes messages at a peak rate
   of about one CPU cycle per byte, with the peak being achieved on
   messages of around four kilobytes and longer.  On the Pentium III,
   without the use of SSE parallelism, UMAC achieves a peak of two
   cycles per byte.  On shorter messages, UMAC still performs well:
   around four cycles per byte on 256-byte messages and under two cycles
   per byte on 1500-byte messages.  The time to produce a 32-bit tag is
   a little more than half that needed to produce a 64-bit tag, while
   96- and 128-bit tags take one-and-a-half and twice as long,
   respectively.

   Optimized source code, performance data, errata, and papers
   concerning UMAC can be found at
   http://www.cs.ucdavis.edu/~rogaway/umac/.

2.  Notation and Basic Operations

   The specification of UMAC involves the manipulation of both strings
   and numbers.  String variables are denoted with an initial uppercase
   letter, whereas numeric variables are denoted in all lowercase.  The
   algorithms of UMAC are denoted in all uppercase letters.  Simple
   functions, like those for string-length and string-xor, are written
   in all lowercase.

   Whenever a variable is followed by an underscore ("_"), the
   underscore is intended to denote a subscript, with the subscripted
   expression evaluated to resolve the meaning of the variable.  For
   example, if i=2, then M_{2 * i} refers to the variable M_4.

2.1.  Operations on strings

   Messages to be hashed are viewed as strings of bits that get zero-
   padded to an appropriate byte length.  Once the message is padded,
   all strings are viewed as strings of bytes.  A "byte" is an 8-bit
   string.  The following notation is used to manipulate these strings.

         bytelength(S): The length of string S in bytes.

         bitlength(S):  The length of string S in bits.

         zeroes(n):     The string made of n zero-bytes.

         S xor T:       The string that is the bitwise exclusive-or of S
                        and T.  Strings S and T always have the same
                        length.

         S and T:       The string that is the bitwise conjunction of S
                        and T.  Strings S and T always have the same
                        length.

         S[i]:          The i-th byte of the string S (indices begin at
                        1).

         S[i...j]:      The substring of S consisting of bytes i through
                        j.

         S || T:        The string S concatenated with string T.

         zeropad(S,n):  The string S, padded with zero-bits to the
                        nearest positive multiple of n bytes.  Formally,
                        zeropad(S,n) = S || T, where T is the shortest
                        string of zero-bits (possibly empty) so that S
                        || T is non-empty and 8n divides bitlength(S ||
                        T).

2.2.  Operations on Integers

   Standard notation is used for most mathematical operations, such as
   "*" for multiplication, "+" for addition and "mod" for modular
   reduction.  Some less standard notations are defined here.

      a^i:      The integer a raised to the i-th power.

      ceil(x):  The smallest integer greater than or equal to x.

      prime(n): The largest prime number less than 2^n.

   The prime numbers used in UMAC are:

    +-----+--------------------+---------------------------------------+
    |  n  | prime(n) [Decimal] | prime(n) [Hexadecimal]                |
    +-----+--------------------+---------------------------------------+
    | 36  | 2^36  - 5          | 0x0000000F FFFFFFFB                   |
    | 64  | 2^64  - 59         | 0xFFFFFFFF FFFFFFC5                   |
    | 128 | 2^128 - 159        | 0xFFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFF61 |
    +-----+--------------------+---------------------------------------+

2.3.  String-Integer Conversion Operations

   Conversion between strings and integers is done using the following
   functions.  Each function treats initial bits as more significant
   than later ones.

      bit(S,n):      Returns the integer 1 if the n-th bit of the string
                     S is 1, otherwise returns the integer 0 (indices
                     begin at 1).

      str2uint(S):   The non-negative integer whose binary
                     representation is the string S.  More formally, if
                     S is t bits long then str2uint(S) = 2^{t-1} *
                     bit(S,1) + 2^{t-2} * bit(S,2) + ... + 2^{1} *
                     bit(S,t-1) + bit(S,t).

      uint2str(n,i): The i-byte string S such that str2uint(S) = n.

2.4.  Mathematical Operations on Strings

   One of the primary operations in UMAC is repeated application of
   addition and multiplication on strings.  The operations "+_32",
   "+_64", and "*_64"  are defined

     "S +_32 T" as uint2str(str2uint(S) + str2uint(T) mod 2^32, 4),
     "S +_64 T" as uint2str(str2uint(S) + str2uint(T) mod 2^64, 8), and
     "S *_64 T" as uint2str(str2uint(S) * str2uint(T) mod 2^64, 8).

   These operations correspond well with the addition and multiplication
   operations that are performed efficiently by modern computers.

2.5.  ENDIAN-SWAP: Adjusting Endian Orientation

   Message data is read little-endian to speed tag generation on
   little-endian computers.

2.5.1.  ENDIAN-SWAP Algorithm

   Input:
     S, string with length divisible by 4 bytes.
   Output:
     T, string S with each 4-byte word endian-reversed.

   Compute T using the following algorithm.

     //
     // Break S into 4-byte chunks
     //

     n = bytelength(S) / 4
     Let S_1, S_2, ..., S_n be strings of length 4 bytes
        so that S_1 || S_2 || ... || S_n = S.

     //
     // Byte-reverse each chunk, and build-up T
     //
     T = <empty string>
     for i = 1 to n do
       Let W_1, W_2, W_3, W_4  be bytes
          so that W_1 || W_2 || W_3 || W_4 = S_i
       SReversed_i = W_4 || W_3 || W_2 || W_1
       T = T || SReversed_i
     end for

     Return T

3.  Key- and Pad-Derivation Functions

   Pseudorandom bits are needed internally by UHASH and at the time of
   tag generation.  The functions listed in this section use a block
   cipher to generate these bits.

3.1.  Block Cipher Choice

   UMAC uses the services of a block cipher.  The selection of a block
   cipher defines the following constants and functions.

      BLOCKLEN         The length, in bytes, of the plaintext block on
                       which the block cipher operates.

      KEYLEN           The block cipher’s key length, in bytes.

      ENCIPHER(K,P)    The application of the block cipher on P (a
                       string of BLOCKLEN bytes) using key K (a string
                       of KEYLEN bytes).

   As an example, if AES is used with 16-byte keys, then BLOCKLEN would
   equal 16 (because AES employs 16-byte blocks), KEYLEN would equal 16,
   and ENCIPHER would refer to the AES function.

   Unless specified otherwise, AES with 128-bit keys shall be assumed to
   be the chosen block cipher for UMAC.  Only if explicitly specified
   otherwise, and agreed to by communicating parties, shall some other
   block cipher be used.  In any case, BLOCKLEN must be at least 16 and
   a power of two.

   AES is defined in another document [1].

3.2.  KDF: Key-Derivation Function

   The key-derivation function generates pseudorandom bits used to key
   the hash functions.

3.2.1.  KDF Algorithm

   Input:
     K, string of length KEYLEN bytes.
     index, a non-negative integer less than 2^64.
     numbytes, a non-negative integer less than 2^64.
   Output:
     Y, string of length numbytes bytes.

   Compute Y using the following algorithm.

     //
     // Calculate number of block cipher iterations
     //
     n = ceil(numbytes / BLOCKLEN)
     Y = <empty string>

     //
     // Build Y using block cipher in a counter mode
     //
     for i = 1 to n do
       T = uint2str(index, BLOCKLEN-8) || uint2str(i, 8)
       T = ENCIPHER(K, T)
       Y = Y || T
     end for

     Y = Y[1...numbytes]

     Return Y

3.3.  PDF: Pad-Derivation Function

   This function takes a key and a nonce and returns a pseudorandom pad
   for use in tag generation.  A pad of length 4, 8, 12, or 16 bytes can
   be generated.  Notice that pads generated using nonces that differ
   only in their last bit (when generating 8-byte pads) or last two bits
   (when generating 4-byte pads) are derived from the same block cipher
   encryption.  This allows caching and sharing a single block cipher
   invocation for sequential nonces.

3.3.1.  PDF Algorithm

   Input:
     K, string of length KEYLEN bytes.
     Nonce, string of length 1 to BLOCKLEN bytes.
     taglen, the integer 4, 8, 12 or 16.
   Output:
     Y, string of length taglen bytes.

   Compute Y using the following algorithm.

      //
      // Extract and zero low bit(s) of Nonce if needed
      //
      if (taglen = 4 or taglen = 8)
        index = str2uint(Nonce) mod (BLOCKLEN/taglen)
        Nonce = Nonce xor uint2str(index, bytelength(Nonce))
      end if

      //
      // Make Nonce BLOCKLEN bytes by appending zeroes if needed
      //
      Nonce = Nonce || zeroes(BLOCKLEN - bytelength(Nonce))

      //
      // Generate subkey, encipher and extract indexed substring
      //
      K’ = KDF(K, 0, KEYLEN)
      T = ENCIPHER(K’, Nonce)
      if (taglen = 4 or taglen = 8)
        Y = T[1 + (index*taglen) ... taglen + (index*taglen)]
      else
        Y = T[1...taglen]
      end if

      Return Y

4.  UMAC Tag Generation

   Tag generation for UMAC proceeds by using UHASH (defined in the next
   section) to hash the message, applying the PDF to the nonce, and
   computing the xor of the resulting strings.  The length of the pad
   and hash can be either 4, 8, 12, or 16 bytes.

4.1.  UMAC Algorithm

   Input:
     K, string of length KEYLEN bytes.
     M, string of length less than 2^67 bits.
     Nonce, string of length 1 to BLOCKLEN bytes.
     taglen, the integer 4, 8, 12 or 16.
   Output:
     Tag, string of length taglen bytes.

   Compute Tag using the following algorithm.

     HashedMessage = UHASH(K, M, taglen)
     Pad           = PDF(K, Nonce, taglen)
     Tag           = Pad xor HashedMessage

     Return Tag

4.2.  UMAC-32, UMAC-64, UMAC-96, and UMAC-128

   The preceding UMAC definition has a parameter "taglen", which
   specifies the length of tag generated by the algorithm.  The
   following aliases define names that make tag length explicit in the
   name.

     UMAC-32(K, M, Nonce) = UMAC(K, M, Nonce, 4)
     UMAC-64(K, M, Nonce) = UMAC(K, M, Nonce, 8)
     UMAC-96(K, M, Nonce) = UMAC(K, M, Nonce, 12)
     UMAC-128(K, M, Nonce) = UMAC(K, M, Nonce, 16)

5.  UHASH: Universal Hash Function

   UHASH is a keyed hash function, which takes as input a string of
   arbitrary length, and produces a 4-, 8-, 12-, or 16-byte output.
   UHASH does its work in three stages, or layers.  A message is first
   hashed by L1-HASH, its output is then hashed by L2-HASH, whose output
   is then hashed by L3-HASH.  If the message being hashed is no longer
   than 1024 bytes, then L2-HASH is skipped as an optimization.  Because
   L3-HASH outputs a string whose length is only four bytes long,
   multiple iterations of this three-layer hash are used if a total
   hash-output longer than four bytes is requested.  To reduce memory

   use, L1-HASH reuses most of its key material between iterations.  A
   significant amount of internal key is required for UHASH, but it
   remains constant so long as UMAC’s key is unchanged.  It is the
   implementer’s choice whether to generate the internal keys each time
   a message is hashed, or to cache them between messages.

   Please note that UHASH has certain combinatoric properties making it
   suitable for Wegman-Carter message authentication.  UHASH is not a
   cryptographic hash function and is not a suitable general replacement
   for functions like SHA-1.

   UHASH is presented here in a top-down manner.  First, UHASH is
   described, then each of its component hashes is presented.

5.1.  UHASH Algorithm

   Input:
     K, string of length KEYLEN bytes.
     M, string of length less than 2^67 bits.
     taglen, the integer 4, 8, 12 or 16.
   Output:
     Y, string of length taglen bytes.

   Compute Y using the following algorithm.

     //
     // One internal iteration per 4 bytes of output
     //
     iters = taglen / 4

     //
     // Define total key needed for all iterations using KDF.
     // L1Key reuses most key material between iterations.
     //
     L1Key  = KDF(K, 1, 1024 + (iters - 1) * 16)
     L2Key  = KDF(K, 2, iters * 24)
     L3Key1 = KDF(K, 3, iters * 64)
     L3Key2 = KDF(K, 4, iters * 4)

     //
     // For each iteration, extract key and do three-layer hash.
     // If bytelength(M) <= 1024, then skip L2-HASH.
     //
     Y = <empty string>
     for i = 1 to iters do
       L1Key_i  = L1Key [(i-1) * 16 + 1 ... (i-1) * 16 + 1024]
       L2Key_i  = L2Key [(i-1) * 24 + 1 ... i * 24]
       L3Key1_i = L3Key1[(i-1) * 64 + 1 ... i * 64]

       L3Key2_i = L3Key2[(i-1) * 4  + 1 ... i * 4]

       A = L1-HASH(L1Key_i, M)
       if (bitlength(M) <= bitlength(L1Key_i)) then
         B = zeroes(8) || A
       else
         B = L2-HASH(L2Key_i, A)
       end if
       C = L3-HASH(L3Key1_i, L3Key2_i, B)
       Y = Y || C
     end for

     Return Y

5.2.  L1-HASH: First-Layer Hash

   The first-layer hash breaks the message into 1024-byte chunks and
   hashes each with a function called NH.  Concatenating the results
   forms a string, which is up to 128 times shorter than the original.

5.2.1.  L1-HASH Algorithm

   Input:
     K, string of length 1024 bytes.
     M, string of length less than 2^67 bits.
   Output:
     Y, string of length (8 * ceil(bitlength(M)/8192)) bytes.

   Compute Y using the following algorithm.

     //
     // Break M into 1024 byte chunks (final chunk may be shorter)
     //
     t = max(ceil(bitlength(M)/8192), 1)
     Let M_1, M_2, ..., M_t be strings so that M = M_1 || M_2 || ... ||
        M_t, and bytelength(M_i) = 1024 for all 0 < i < t.

     //
     // For each chunk, except the last: endian-adjust, NH hash
     // and add bit-length.  Use results to build Y.
     //
     Len = uint2str(1024 * 8, 8)
     Y = <empty string>
     for i = 1 to t-1 do
       ENDIAN-SWAP(M_i)
       Y = Y || (NH(K, M_i) +_64 Len)
     end for

     //
     // For the last chunk: pad to 32-byte boundary, endian-adjust,
     // NH hash and add bit-length.  Concatenate the result to Y.
     //
     Len = uint2str(bitlength(M_t), 8)
     M_t = zeropad(M_t, 32)
     ENDIAN-SWAP(M_t)
     Y = Y || (NH(K, M_t) +_64 Len)

     return Y

5.2.2.  NH Algorithm

   Because this routine is applied directly to every bit of input data,
   optimized implementation of it yields great benefit.

   Input:
     K, string of length 1024 bytes.
     M, string with length divisible by 32 bytes.
   Output:
     Y, string of length 8 bytes.

   Compute Y using the following algorithm.

     //
     // Break M and K into 4-byte chunks
     //
     t = bytelength(M) / 4
     Let M_1, M_2, ..., M_t be 4-byte strings
       so that M = M_1 || M_2 || ... || M_t.
------分隔线----------------------------
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
最新评论 查看所有评论
发表评论 查看所有评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名: 密码: 验证码:
推荐内容