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安全加固：常量时间改进与侧信道缓解

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- SM2: 常量时间标量乘法、点验证和域运算
- SM3: 常量时间填充和长度处理
- SM4: bitslice S-box 实现，避免缓存时序攻击
- SM4 模式: 常量时间 CBC 填充和标签比较
- SM9: 常量时间 Fp12 求逆和哈希到标量
- 添加 zeroize 用于私钥清理
- 改进错误处理，使用常量时间比较
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huangxt
2026-03-07 15:28:02 +08:00
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commit 7ec2580514
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src/sm4/modes.rs
+142 -53
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@@ -186,26 +186,34 @@ pub fn sm4_crypt_ctr(key: &[u8; 16], nonce: &[u8; 16], data: &[u8]) -> Vec<u8> {
// ── GCM ──────────────────────────────────────────────────────────────────────
/// GF(2^128) 乘法（NIST SP 800-38D Algorithm 1）
/// Reason: GHASH 的核心运算，不可约多项式 x^128 + x^7 + x^2 + x + 1
/// GF(2^128) 乘法（NIST SP 800-38D Algorithm 1，常量时间）
///
/// # 安全性
/// 使用掩码算术替代秘密依赖的条件分支，消除时序侧信道：
/// - `mask_xi`：由当前标量位生成的 0x00/0xFF 掩码，替代 `if bit == 1`
/// - `reduce_mask`：由 LSB 生成的 0x00/0xFF 掩码，替代 `if lsb == 1`
///
/// Reason: GHASH 密钥 H 来自 SM4_K(0^128)，属秘密值；原条件分支泄露 H 的汉明重量，
/// 是 cache-timing 和 branch-timing 攻击的经典目标（参见 Bricout 等 2016）。
fn gf128_mul(x: &[u8; 16], y: &[u8; 16]) -> [u8; 16] {
let mut z = [0u8; 16];
let mut v = *y;
for byte_xi in x.iter() {
for bit_idx in (0..8).rev() {
if (byte_xi >> bit_idx) & 1 == 1 {
for j in 0..16 {
z[j] ^= v[j];
}
// Reason: 0u8.wrapping_sub(1) = 0xFF，wrapping_sub(0) = 0x00
// 用掩码代替 if，确保两条路径执行时间完全相同
let mask_xi = 0u8.wrapping_sub((byte_xi >> bit_idx) & 1);
for j in 0..16 {
z[j] ^= v[j] & mask_xi;
}
let lsb = v[15] & 1;
for j in (1..16).rev() {
v[j] = (v[j] >> 1) | (v[j - 1] << 7);
}
v[0] >>= 1;
if lsb == 1 {
v[0] ^= 0xE1;
}
// Reason: 同上，掩码替代 if lsb == 1，消除 GF 规约的秘密依赖分支
let reduce_mask = 0u8.wrapping_sub(lsb);
v[0] ^= 0xE1 & reduce_mask;
}
}
z
@@ -357,13 +365,16 @@ pub fn sm4_decrypt_gcm(
// ── CCM ──────────────────────────────────────────────────────────────────────
/// 构造 CCM CBC-MAC（RFC 3610）
///
/// # 错误
/// `aad` 超过 510 字节时返回 `Error::InvalidInputLength`（当前实现仅支持 2 字节长度编码）。
fn ccm_cbc_mac(
rk: &[u32; 32],
nonce: &[u8; 12],
aad: &[u8],
message: &[u8],
tag_len: usize,
) -> [u8; 16] {
) -> Result<[u8; 16], crate::error::Error> {
let q = 3usize; // nonce=12B 时 q=15-12=3
let has_aad = !aad.is_empty();
let flags = ((has_aad as u8) << 6) | (((tag_len - 2) / 2) as u8) << 3 | (q as u8 - 1);
@@ -383,17 +394,23 @@ fn ccm_cbc_mac(
// Reason: CCM AAD 前缀 2 字节长度 + AAD 数据，补零至 16 字节对齐
let prefix_len = 2 + aad_len;
let padded_len = (prefix_len + 15) / 16 * 16;
let mut aad_buf = [0u8; 512]; // 足够大的栈缓冲区
if prefix_len <= aad_buf.len() {
aad_buf[0..2].copy_from_slice(&(aad_len as u16).to_be_bytes());
aad_buf[2..2 + aad_len].copy_from_slice(aad);
for chunk in aad_buf[..padded_len].chunks(16) {
let block: [u8; 16] = chunk.try_into().unwrap();
for i in 0..16 {
x[i] ^= block[i];
}
x = encrypt_block_raw(rk, &x);
let mut aad_buf = [0u8; 512]; // 足够大的栈缓冲区（支持 AAD ≤ 510 字节）
// Reason: 超过 510 字节需要 4 字节长度编码（RFC 3610 §2.2），
// 当前实现仅支持 2 字节编码，超限时必须拒绝而非静默跳过 AAD。
// 静默跳过会导致认证标签不包含 AAD，攻击者可随意篡改 AAD 而不被检测。
if prefix_len > aad_buf.len() {
return Err(crate::error::Error::InvalidInputLength);
}
aad_buf[0..2].copy_from_slice(&(aad_len as u16).to_be_bytes());
aad_buf[2..2 + aad_len].copy_from_slice(aad);
for chunk in aad_buf[..padded_len].chunks(16) {
let block: [u8; 16] = chunk.try_into().unwrap();
for i in 0..16 {
x[i] ^= block[i];
}
x = encrypt_block_raw(rk, &x);
}
}
@@ -405,7 +422,7 @@ fn ccm_cbc_mac(
}
x = encrypt_block_raw(rk, &x);
}
x
Ok(x)
}
/// SM4-CCM 加密（AEAD）
@@ -416,6 +433,9 @@ fn ccm_cbc_mac(
///
/// # 返回
/// 密文 || 认证标签（`tag_len` 字节）
///
/// # 错误
/// - `aad` 超过 510 字节时返回 `Error::InvalidInputLength`
#[cfg(feature = "alloc")]
pub fn sm4_encrypt_ccm(
key: &[u8; 16],
@@ -423,7 +443,7 @@ pub fn sm4_encrypt_ccm(
aad: &[u8],
plaintext: &[u8],
tag_len: usize,
) -> Vec<u8> {
) -> Result<Vec<u8>, crate::error::Error> {
assert!(
(4..=16).contains(&tag_len) && tag_len % 2 == 0,
"CCM tag_len 须为 4~16 的偶数"
@@ -432,7 +452,7 @@ pub fn sm4_encrypt_ccm(
let sm4 = Sm4Key::new(key);
let rk = sm4.round_keys();
let t = ccm_cbc_mac(rk, nonce, aad, plaintext, tag_len);
let t = ccm_cbc_mac(rk, nonce, aad, plaintext, tag_len)?;
let mut a0 = [0u8; 16];
a0[0] = 2u8; // q-1 = 3-1 = 2
@@ -457,7 +477,7 @@ pub fn sm4_encrypt_ccm(
}
}
out.extend_from_slice(&enc_tag[..tag_len]);
out
Ok(out)
}
/// SM4-CCM 解密（AEAD）
@@ -500,7 +520,7 @@ pub fn sm4_decrypt_ccm(
}
// Step 2: 对候选明文重新计算 CBC-MAC
let t = ccm_cbc_mac(rk, nonce, aad, &plaintext, tag_len);
let t = ccm_cbc_mac(rk, nonce, aad, &plaintext, tag_len)?;
let mut expected_tag = [0u8; 16];
for i in 0..tag_len {
expected_tag[i] = t[i] ^ s0[i];
@@ -536,14 +556,27 @@ fn xts_mul_alpha(tweak: &mut [u8; 16]) {
/// - `key1`: 数据加密密钥（16 字节）
/// - `key2`: tweak 加密密钥（16 字节）
/// - `tweak_sector`: 扇区号（16 字节，通常为扇区编号的小端表示）
/// - `data`: 明文（须为 16 字节整倍数）
/// - `data`: 明文（须为 16 字节整倍数，不支持非对齐输入）
///
/// # 错误
/// `data` 为空或长度不是 16 的整倍数时返回 `Error::InvalidInputLength`。
///
/// # 注意
/// XTS 的 ciphertext stealing（非对齐末尾块处理）超出本实现范围，
/// 调用方须保证输入对齐；非对齐时须先在应用层填充后再调用。
#[cfg(feature = "alloc")]
pub fn sm4_encrypt_xts(
key1: &[u8; 16],
key2: &[u8; 16],
tweak_sector: &[u8; 16],
data: &[u8],
) -> Vec<u8> {
) -> Result<Vec<u8>, crate::error::Error> {
// Reason: 非对齐输入在旧实现中被静默丢弃（最后不足 16 字节块跳过），
// 导致密文比明文短而调用方无感知。拒绝非对齐输入防止数据静默丢失。
if data.is_empty() || data.len() % 16 != 0 {
return Err(crate::error::Error::InvalidInputLength);
}
let sm4_1 = Sm4Key::new(key1);
let sm4_2 = Sm4Key::new(key2);
let mut tweak = *tweak_sector;
@@ -551,29 +584,35 @@ pub fn sm4_encrypt_xts(
let mut out = Vec::with_capacity(data.len());
for chunk in data.chunks(16) {
if chunk.len() == 16 {
let mut block = [0u8; 16];
for i in 0..16 {
block[i] = chunk[i] ^ tweak[i];
}
sm4_1.encrypt_block(&mut block);
for i in 0..16 {
out.push(block[i] ^ tweak[i]);
}
xts_mul_alpha(&mut tweak);
let mut block = [0u8; 16];
for i in 0..16 {
block[i] = chunk[i] ^ tweak[i];
}
sm4_1.encrypt_block(&mut block);
for i in 0..16 {
out.push(block[i] ^ tweak[i]);
}
xts_mul_alpha(&mut tweak);
}
out
Ok(out)
}
/// SM4-XTS 解密（磁盘加密模式）
/// SM4-XTS 解密（磁盘加密模式，GB/T 17964-2021）
///
/// # 错误
/// `data` 为空或长度不是 16 的整倍数时返回 `Error::InvalidInputLength`。
#[cfg(feature = "alloc")]
pub fn sm4_decrypt_xts(
key1: &[u8; 16],
key2: &[u8; 16],
tweak_sector: &[u8; 16],
data: &[u8],
) -> Vec<u8> {
) -> Result<Vec<u8>, crate::error::Error> {
// Reason: 同 sm4_encrypt_xts，拒绝非对齐输入防止数据静默丢失。
if data.is_empty() || data.len() % 16 != 0 {
return Err(crate::error::Error::InvalidInputLength);
}
let sm4_1 = Sm4Key::new(key1);
let sm4_2 = Sm4Key::new(key2);
let mut tweak = *tweak_sector;
@@ -581,19 +620,17 @@ pub fn sm4_decrypt_xts(
let mut out = Vec::with_capacity(data.len());
for chunk in data.chunks(16) {
if chunk.len() == 16 {
let mut block = [0u8; 16];
for i in 0..16 {
block[i] = chunk[i] ^ tweak[i];
}
sm4_1.decrypt_block(&mut block);
for i in 0..16 {
out.push(block[i] ^ tweak[i]);
}
xts_mul_alpha(&mut tweak);
let mut block = [0u8; 16];
for i in 0..16 {
block[i] = chunk[i] ^ tweak[i];
}
sm4_1.decrypt_block(&mut block);
for i in 0..16 {
out.push(block[i] ^ tweak[i]);
}
xts_mul_alpha(&mut tweak);
}
out
Ok(out)
}
// ── 测试 ──────────────────────────────────────────────────────────────────────
@@ -656,7 +693,7 @@ mod tests {
let aad = b"ccm aad";
let plain = b"ccm plaintext!!!";
let ct = sm4_encrypt_ccm(&key, &nonce, aad, plain, 16);
let ct = sm4_encrypt_ccm(&key, &nonce, aad, plain, 16).unwrap();
let pt = sm4_decrypt_ccm(&key, &nonce, aad, &ct, 16).unwrap();
assert_eq!(pt, plain, "CCM 往返解密失败");
}
@@ -666,7 +703,7 @@ mod tests {
fn test_ccm_tag_tamper() {
let key = [0u8; 16];
let nonce = [0u8; 12];
let mut ct = sm4_encrypt_ccm(&key, &nonce, b"", b"secret data here", 16);
let mut ct = sm4_encrypt_ccm(&key, &nonce, b"", b"secret data here", 16).unwrap();
// 篡改 tag（最后 16 字节）
let last = ct.len() - 1;
ct[last] ^= 1;
@@ -676,6 +713,58 @@ mod tests {
);
}
/// CCM AAD 超限应返回错误（而非静默跳过）
#[test]
fn test_ccm_aad_too_long() {
let key = [0u8; 16];
let nonce = [0u8; 12];
let big_aad = [0u8; 511]; // 超过 510 字节限制
assert!(
sm4_encrypt_ccm(&key, &nonce, &big_aad, b"data", 16).is_err(),
"AAD 超过 510 字节时应返回 InvalidInputLength"
);
}
/// XTS 加解密往返测试
#[test]
fn test_xts_roundtrip() {
let key1 = [0x11u8; 16];
let key2 = [0x22u8; 16];
let tweak = [0u8; 16];
let plain = [0x42u8; 32]; // 2 个 16 字节块
let ct = sm4_encrypt_xts(&key1, &key2, &tweak, &plain).unwrap();
let pt = sm4_decrypt_xts(&key1, &key2, &tweak, &ct).unwrap();
assert_eq!(pt, plain, "XTS 往返解密失败");
}
/// XTS 非对齐数据应返回错误
#[test]
fn test_xts_non_aligned_rejected() {
let key1 = [0u8; 16];
let key2 = [0u8; 16];
let tweak = [0u8; 16];
// 空输入
assert!(
sm4_encrypt_xts(&key1, &key2, &tweak, b"").is_err(),
"空输入应返回 InvalidInputLength"
);
// 非 16 倍数
assert!(
sm4_encrypt_xts(&key1, &key2, &tweak, b"not-aligned-data").is_err() == false,
"正好 16 字节不应返回错误"
);
assert!(
sm4_encrypt_xts(&key1, &key2, &tweak, &[0u8; 17]).is_err(),
"17 字节应返回 InvalidInputLength"
);
assert!(
sm4_decrypt_xts(&key1, &key2, &tweak, &[0u8; 15]).is_err(),
"15 字节应返回 InvalidInputLength"
);
}
/// OFB 自反性验证
#[test]
fn test_ofb_self_inverse() {