Symmetric block ciphers Summary - DES & AES

前言

最近要进行密码学宣讲，所以就稍微总结了一下对称分组密码，毕竟公钥密码（RSA）前面总结过一些常见的了，这里给上链接

skysec.top/2018/08/24/RSA之拒绝套路(1)
skysec.top/2018/08/25/RSA之拒绝套路(2)
skysec.top/2018/09/13/Crypto-RSA多等式攻击总结
skysec.top/2018/09/15/浅析RSA-Padding-Attack
skysec.top/2018/09/17/Crypto-RSA-公钥攻击小结

有兴趣的可以自己看看，无非是从公钥、多同余式、p/q或是公式推导入手。
而这里介绍的对称分组密码（DES、AES），主要从其本身和分组模式的问题介绍

DES

DES由于密钥只有64bit，并且有效位只有仅仅56bit，剩余8bit为校验位，所以存在比较显著的爆破攻击风险

爆破攻击

以最新的hitcon2018为例：oh-my-raddit
这道题就可以作为一个爆破攻击的典例：
1.题目给了大量的密文
2.每个密文对应一篇文章的link
虽然本题乍一看是一道唯密文攻击的题目，但是不难提取出如下特点：

c1=6540f0e9c6cf744d42db7d895ec887fddbe85217dba80ef15a370279d62741526126bef1904e34a9754531903e10c8cce11b58e11007a26a55ba2433615b18871ffcfab2df695eb93ca92540eb2d0a42

c2=71b09e88f72ba8da76e357af02ad9eab1433743fe85e31a2501049e465bca5e92faefdcb3f7dee61ca73fdc9bc3e4913ab5c2badf4c89831efa48ec2c7fb9d7bb488b51c02b43f9c7f006f8cb3b607a893cdc66682fcb18fc9708af28e08eddfa24dac555b4564836bf984a7b842cee2a58346067fff581424db8959accbdd893ca92540eb2d0a42

c3=02f7e5385d69c591728fb03634bffc6894db69c649886bb48b2a80152681b5b7ead5bb13c0a0aed1a415ab01344a59c039790c9d9e7f8e303e88184ca4649bd719b04ad9b75ad670d4cfd0a444e4da7f3ca92540eb2d0a42

我们看一下长度


不难发现：
1.每组密文的长度都是16的倍数，可以据此猜出大概为8bytes一组
2.每组密文结尾都是3ca92540eb2d0a42，不难猜出这应该是Padding
3.得到一组明密文对：0808080808080808:3ca92540eb2d0a42
那么爆破即可，如果强行写脚本爆破，肯定是非常慢的。
这里可以使用工具hashcat

其中

-m 14000

意思为

-a 3

意思为

?l?l?l?l?l?l?l?l

意思为

数字?d
小写字母?l
大写字母?u
特殊字符?s
大小写字母+特殊字符?a

这里意思为纯小写字母的key爆破

弱密钥

之所以叫弱密钥，是因为使用这样的初始密钥会生成16个相同的子密钥，这肯定不是我们期望发生的
这样的弱密钥有

同时还有半弱密钥，即存在情况

即用K2加密明文，可以用K1解密，这种半弱密钥有：

参考链接：
https://en.wikipedia.org/wiki/Weak_key#Weak_keys_in_DES

子密钥逆推

如果子密钥泄露，可以几乎成功逆推初始密钥，但由于有效位仅56bit，所以子密钥只能恢复56bit的子密钥，还有8bit需要爆破，但2^8并不是很大，所以可以容易破解
下面从一道某春秋的例题去看，考察点主要还是在密钥编排和DES流程分析
注：代码非常冗余，因为是1年前做的题，把脚本直接扒出来了

.......(代码省略)
deskey="imnotkey"
DES = des(deskey)
DES.Kn =[
    ........(子密钥省略)
]

DES.setMode(ECB)
correct=[
    ......(密文省略)
]
// DES.encrypt(code)==correct
from Crypto.Cipher import Blowfish
import base64
key= deskey+code
cipher = Blowfish.new(key, Blowfish.MODE_ECB)
print cipher.decrypt(base64.b64decode("fxd+VFDXF6lksUAwcB1CMco6fnKqrQcO5nxS/hv3FtN7ngETu95BkjDn/ar+KD+RbmTHximw03g="))

我们首先来看一下代码主流程看了什么：

然后我们有

所以思路还算清晰：

然后我们容易知道DES的密钥编排过程为:

所以这里我有想法:

那么我们有子密钥

DES.Kn =[
    ........(子密钥省略)
]

由子密钥key1开始逆推：
首先是逆PC-2盒：

key1 = [1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1]
__pc2 = [
        13, 16, 10, 23,  0,  4,
         2, 27, 14,  5, 20,  9,
        22, 18, 11,  3, 25,  7,
        15,  6, 26, 19, 12,  1,
        40, 51, 30, 36, 46, 54,
        29, 39, 50, 44, 32, 47,
        43, 48, 38, 55, 33, 52,
        45, 41, 49, 35, 28, 31
    ]
C1D1 = ['*']*56
for i in range(0,len(key1)):
    C1D1[__pc2[i]] = key1[i]
print C1D1

可以得到C1D1的值为:

[1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, '*', 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, '*', 1, 0, 1, '*', 0, 1, '*', 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, '*', 1, 1, '*', 1, 1, 1, 1, '*', 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, '*', 0, 1]

然后我们循环右移动1位逆推出C0D0

C1:11010110*11001100*101*01*011
D1:111111*11*1111*1000000010*01

循环右移一位：

C0:111010110*11001100*101*01*01
D0:1111111*11*1111*1000000010*0

然后可以逆PC-1盒得到deskey

C0='111010110*11001100*101*01*01'
D0='1111111*11*1111*1000000010*0'
__pc1 = [56, 48, 40, 32, 24, 16, 8,
         0, 57, 49, 41, 33, 25, 17,
         9, 1, 58, 50, 42, 34, 26,
         18, 10, 2, 59, 51, 43, 35,
         62, 54, 46, 38, 30, 22, 14,
         6, 61, 53, 45, 37, 29, 21,
         13, 5, 60, 52, 44, 36, 28,
         20, 12, 4, 27, 19, 11, 3
         ]
C0D0 = C0+D0
res = ['*']*64
deskey = ""
for i in range(0,len(__pc1)):
    res[__pc1[i]] = C0D0[i]
for i in res:
    deskey += i
print deskey

得到deskey

11000***11**011*0010011*1001011*0111011*11*00*1*1*0*011*1001111*

然后我们给每个未知量替换为变量a,b,c……
得到

11000abc11de011f0010011g1001011h0111011i11j00k1L1m0n011o1001111p

然后我们用这个带未知量的deskey生成16个子密钥:

def zuoyiwei(str,num):
    my = str[num:len(str)]
    my = my+str[0:num]
    return my
def key_change_1(str):
    key1_list = [57,49,41,33,25,17,9,1,58,50,42,34,26,18,10,2,59,51,43,35,27,19,11,3,60,52,44,36,63,55,47,39,31,23,15,7,62,54,46,38,30,22,14,6,61,53,45,37,29,21,13,5,28,20,12,4]
    res = ""
    for i in key1_list:
        res+=str[i-1]
    return res

def key_change_2(str):
    key2_list = [14,17,11,24,1,5,3,28,15,6,21,10,23,19,12,4,26,8,16,7,27,20,13,2,41,52,31,37,47,55,30,40,51,45,33,48,44,49,39,56,34,53,46,42,50,36,29,32]
    res = ""
    for i in key2_list:
        res+=str[i-1]
    return res
def key_gen(str):
    key_list = []
    key_change_res = key_change_1(str)
    key_c = key_change_res[0:28]
    key_d = key_change_res[28:]
    for i in range(1,17):
        if (i==1) or (i==2) or (i==9) or (i==16):
            key_c = zuoyiwei(key_c,1)
            key_d = zuoyiwei(key_d,1)
        else:
            key_c = zuoyiwei(key_c,2)
            key_d = zuoyiwei(key_d,2)
        key_yiwei = key_c+key_d
        key_res = key_change_2(key_yiwei)
        key_list.append(key_res)
    return key_list
deskey = "11000abc11de011f0010011g1001011h0111011i11j00k1L1m0n011o1001111p"
print key_gen(deskey)

得到结果

['101110011111010100011001111100110010101110010111', '1j0n111101d110001m001110101k011110100011be0a0111', 
'00111010jm100d11111110001011011ae01001111100011b', '1d0111000101110m00101nj1011111b010k00e1111000111', 
'11j00011d01010110101110m01k1e1101110010b11001a11', '0000110m1111111010n001d1011011101e110101a10010k1', 
'n1d1001100111101m11j10101b101k10111101010110101a', '111m1j00111001n011100001e11011a0110111110k10b010', 
'10n111011011m00j0d1101100k00111e11011b01011110a0', '101001100dm011101110101j1100ba01110111010111k100',
'1111101j01110m1d001n0100110010011b0k11101a111e00', '1m001n0010011111j101100d11011001a1011110e0k11101', 
'010j01ndm111001001111111b00110110101ka101011110e', '1010n11111011101d10000m01001a0e1011110b1101k0101', 
'01md1010011010111110nj11101b001k0a10101e10110101', '00101111100mdj10n111010110110e110110a0k011010b11']

和题目中的Kn比对:

['101110011111010100011001111100110010101110010111', '110011110111100010001110101001111010001111000111',
 '001110101010011111111000101101101010011111000111', '110111000101110000101011011111101000011111000111', 
 '111000111010101101011100010111101110010111001011', '000011001111111010000111011011101111010101001001',
 '011100110011110101111010111010101111010101101010', '111011001110010011100001111011001101111100101010',
 '100111011011000101110110000011111101110101111000', '101001100100111011101011110010011101110101110100',
 '111110110111001100100100110010011100111010111100', '100010001001111111011001110110010101111010011101', 
 '010101010111001001111111100110110101001010111101', '101001111101110111000000100100110111101110100101', 
 '010110100110101111100111101100100010101110110101', '001011111000111001110101101101110110000011010111']

我们容易得到8个变量的值，然后得到带有8个未知数的deskey

"1100001"+c+"1111011"+f+"0010011"+g+"1001011"+h+"0111011"+i+"1110001"+l+"1000011"+o+"1001111"+p

然而这个deskey大家会发现怎么都不对，我们阅读题目中给的程序
发现他对deskey的处理：

key = self.__permutate(des.__pc1, self.__String_to_BitList(self.getKey()))

我们跟进这个__String_to_BitList()

def __String_to_BitList(self, data):
        """Turn the string data, into a list of bits (1, 0)'s"""
        if _pythonMajorVersion < 3:

            data = [ord(c) for c in data]
        l = len(data) * 8
        result = [0] * l
        pos = 0
        for ch in data:
            for i in range(0,8):
                result[(pos<<3)+i]=(ch>>i)&1
            pos+=1

        return result

可以发现这个根本不是原版的pydes库的函数，我们来看看原版函数:

def __String_to_BitList(self, data):
        """Turn the string data, into a list of bits (1, 0)'s"""
        if _pythonMajorVersion < 3:
            # Turn the strings into integers. Python 3 uses a bytes
            # class, which already has this behaviour.
            data = [ord(c) for c in data]
        l = len(data) * 8
        result = [0] * l
        pos = 0
        for ch in data:
            i = 7
            while i >= 0:
                if ch & (1 << i) != 0:
                    result[pos] = 1
                else:
                    result[pos] = 0
                pos += 1
                i -= 1
        return result

容易发现，我们题目中的处理deskey的函数：

什么意思呢？
比如

abcdefjhABCDEFJH

他处理后会变成

hjfedcbaHJFEDCBA

所以我们的deskey要进行处理:

deskey_old = '1100001"+c+"1111011"+f+"0010011"+g+"1001011"+h+"0111011"+i+"1110001"+L+"1000011"+o+"1001111"+p'.replace('"+','').replace('+"','')
deskey_new = ""
for i in range(0,len(deskey_old),8):
    deskey_new += deskey_old[i:i+8][::-1]
print deskey_new

得到

c1000011f1101111g1100100h1101001i1101110L1000111o1100001p1111001

然后我们就可以爆破8bit寻找可读明文字符串了

def bintostr(str):
    res = ""
    for i in range(0,len(str),8):
        res += chr(int(str[i:i+8],2))
    return res
for c in "01":
    for f in "01":
        for g in "01":
            for h in "01":
                for i in "01":
                    for L in "01":
                        for o in "01":
                            for p in "01":
                                str = c+"1000011"+f+"1101111"+g+"1100100"+h+"1101001"+i+"1101110"+L+"1000111"+o+"1100001"+p+"1111001"
                                str = bintostr(str)
                                print str

运行程序容易发现,只有一个可见字符串:

CodinGay

所以这一定是我们的deskey，后续的步骤就不再写出了，和这篇文章标题不符，也比较容易了，毕竟有Key，直接解就行了

分组问题

ECB-Replay Attack

ECB模式相对来说，是最简单的一个模式，如图

其就是将明文分成多块，然后加密，那么这样就一定会存在重放攻击的危险，例如

我们可以看到，该过程中，C对该密码算法的密钥是完全未知的，他可以向银行A或者银行B打钱，这样就能拥有密文，可以将其中的账号的密文组抠出来，用来替换
注：当然如果有签名校验就是另一回事了，这里我们单看这个模式的安全性

CBC-Padding Oracle Attack

CBC加密模式：

CBC解密模式：

这里主要关注一下解密过程
密文cipher首先进行一系列处理，如图中的Block Cipher Decryption
我们将处理后的值称为middle中间值
然后middle与我们输入的iv进行异或操作
得到的即为明文
但这里有一个规则叫做Padding填充：
因为加密是按照16位一组分组进行的
而如果不足16位，就需要进行填充

比如我们的明文为admin
则需要被填充为 admin\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b
一共11个\x0b
如果我们输入一个错误的iv，依旧是可以解密的，但是middle和我们输入的iv经过异或后得到的填充值可能出现错误
比如本来应该是admin\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b
而我们错误的得到admin\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x0b\x3b\x2c
这样解密程序往往会抛出异常(Padding Error)
应用在web里的时候，往往是302或是500报错
而正常解密的时候是200
所以这时，我们可以根据服务器的反应来判断我们输入的iv
我们假设middle中间值为(为了方便，这里按8位分组来阐述)

0x39 0x73 0x23 0x22 0x07 0x6a 0x26 0x3d

正确的解密iv应该为

0x6d 0x36 0x70 0x76 0x03 0x6e 0x22 0x39

解密后正确的明文为：

T E S T 0x04 0x04 0x04 0x04

但是关键点在于，我们可以知道iv的值，却不能得到中间值和解密后明文的值
而我们的目标是只根据我们输入的iv值和服务器的状态去判断出解密后明文的值
这里的攻击即叫做Padding Oracle Attack
这时候我们选择进行爆破攻击
首先输入iv

0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00

这时候和中间值middle进行异或得到：

0x39 0x73 0x23 0x22 0x07 0x6a 0x26 0x3d

而此时程序会校验最后一位padding字节是否正确
我们知道正确的padding的值应该只有0x01~0x08，这里是0x3d，显然是错误的
所以程序会抛出500
知道这一点后，我们可以通过遍历最后一位iv，从而使这个iv和middle值异或后的最后一位是我们需要0x01
这时候有256种可能，不难遍历出
Iv:

0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x3c

Middle:

0x39 0x73 0x23 0x22 0x07 0x6a 0x26 0x3d

两者异或后得到的是：

0x39 0x73 0x23 0x22 0x07 0x6a 0x26 0x01

这时候程序校验最后一位，发现是0x01，即可通过校验，服务器返回200
我们根据这个200就可以判断出，这个iv正确了
然后我们有公式：

Middle[8]^原来的iv[8] = plain[8]
Middle[8]^现在的iv[8] = 0x01

故此，我们可以算出

middle[8] = 0x01^现在的iv[8]

然后带入式1：

Plain[8] = 0x01^现在的iv[8]^原来的iv

即可获取明文plain[8]= 0x01^0x3c^0x39=0x04
和我们之前解密成功的明文一致（最后4位为填充）
下面我们需要获取plain[7]
方法还是如出一辙
但是这里需要将iv更新，因为这次我们需要的是2个0x02，而非之前的一个0x01
所以我们需要将现在的iv[8] = middle[8]^0x02
注：为什么是现在iv[8] = middle[8]^0x02？
因为现在的iv[8]^middle[8]=服务器校验的值
而我们遍历倒数第二位，应该是2个0x02，所以服务器希望得到的是0x02，所以

现在的iv[8]^middle[8]=0x02
故此iv[8] = middle[8]^0x02

然后再继续遍历现在的iv[7]
方法还是和上面一样，遍历后可以得到
Iv:

0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x24 0x3f

Middle:

0x39 0x73 0x23 0x22 0x07 0x6a 0x26 0x3d

两者异或后得到的是：

0x39 0x73 0x23 0x22 0x07 0x6a 0x02 0x02

然后此时的明文值：

Plain[7]=现在的iv[7]^原来的iv[7]^0x02

所以Plain[7] = 0x02^0x24^0x22=0x04
和我们之前解密成功的明文一致（最后4位为填充）
最后遍历循环，即可得到完整的plain

CBC-Byte Flip Attack

这个实际上和padding oracle攻击差不多

还是关注这个解密过程
但这时，我们是已知明文，想利用iv去改变解密后的明文
比如我们知道明文解密后是1dmin
我们想构造一个iv，让他解密后变成admin
还是原来的思路

原来的Iv[1]^middle[1]=plain[1]

而此时
我们想要

构造的iv[1]^mddle[1]=’a’

所以我们可以得到

构造的iv[1] = middle[1]^’a’

而

middle[1]=原来的iv[1]^plain[1]

所以最后可以得到公式

构造的iv[1]= 原来的iv[1]^plain[1]^’a’

所以即可造成数据的伪造
我们可以用这个式子，遍历明文，构造出iv，让程序解密出我们想要的明文

CFB-Replay Attack

CFB模式的加解密方式：

这里有一道例题写的比较详细，我就不再赘述：

http://www.ifuryst.com/archives/AES_CFB_Attack.html

后记

后面应该还会继续做一些补充和探索，因为目前写的头疼，所以先写到这里。
因为Crypto纯属兴趣，毕竟我是个web狗，若文章中有错误，还请指出：）

源链接

Hacking more

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