1. Secret-Key Encryption Lab

手册
进度：Task 6/7

Overview

  • 使用工具编写加解密程序
  • 了解常见错误、利用漏洞进行攻击
    主题：
  1. 密钥加密（对称加密）
  2. 代替密码与频率分析
  3. 加密模式、IV向量、填充
  4. 使用加密算法的常见错误
  5. 使用加密库进行编程

Lab Environment

Seed Ubuntu

共享文件夹

$ mkdir -p ~/Share
$ sudo mount -t vboxsf VM_Shared ~/Share

2024/4/16重启虚拟机忽然发现共享文件夹空了，然后发现之前配成了固定分配，重新输一下命令就好了。

docker(Task6.3用到)

  • 首先在虚拟机里装docker

    sudo apt-get update
curl -fsSL https://test.docker.com -o test-docker.sh   sudo sh test-docker.sh

  • 利用Labsetups中的docker-compose.yml文件建立docker容器
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  • 运行容器并获取容器ID（使用指令别名）
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  • 启动shell（使用指令别名）
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    获取shell时可以不写完整ID，只需要前几个字符，只要能唯一表示那个容器。

  • （关闭）

Task 1: Frequency Analysis

  • 加密过程
    • Step 1：随机一个a到z序列作为替换表（即密钥）
      这里是zvsbunjphmrqkdaytxwiclgfoe 。
    • Step 2：简化初始文章（大写转小写、去除标点、保留空格）
    • Step 3：加密
    $ tr ’abcdefghijklmnopqrstuvwxyz’ ’zvsbunjphmrqkdaytxwiclgfoe’ < plaintext.txt > ciphertext.txt

频率分析

Step 1：运行frac.py统计密文信息

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1-gram (top 20): n: 488 y: 373 v: 348 x: 291 u: 280 q: 276 m: 264 h: 235 t: 183 i: 166 p: 156 a: 116 c: 104 z: 95 l: 90 g: 83 b: 83 r: 82 e: 76 d: 59
2-gram (top 20): yt: 115 tn: 89 mu: 74 nh: 58 vh: 57 hn: 57 vu: 56 nq: 53 xu: 52 up: 46 xh: 45 yn: 44 np: 44 vy: 44 nu: 42 qy: 39 vq: 33 vi: 32 gn: 32 av: 31
3-gram (top 20): ytn: 78 vup: 30 mur: 20 ynh: 18 xzy: 16 mxu: 14 gnq: 14 ytv: 13 nqy: 13 vii: 13 bxh: 13 lvq: 12 nuy: 12 vyn: 12 uvy: 11 lmu: 11 nvh: 11 cmu: 11 tmq: 10 vhp: 10

Step 2：进行频率分析攻击

（从小写（密文）转到大写（明文）方便看变化）

  • 根据频率最高的字幕组合猜测ytn是THE：
    tr 'ytn' 'THE' < ciphertext.txt > answer.txt
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  • 根据单个v和vT猜测v是A
    tr 'ytnv' 'THEA' < ciphertext.txt > answer.txt

  • 。。。。
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  • 最终结果
    tr 'ytnvxuplqhmesckbifrgjzdaow' 'THEAONDWSRIPKMXFLVGBQUYCJZ' < ciphertext.txt > answer.txt
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Task 2: Encryption using Different Ciphers and Modes

用到的openssl命令

openssl

$ openssl enc -ciphername [-in filename] [-out filename] [-pass arg] [-e] [-d] [-a/-base64]
       [-A] [-k password] [-kfile filename] [-K key] [-iv IV] [-S salt] [-salt] [-nosalt] [-z] [-md]
       [-p] [-P] [-bufsize number] [-nopad] [-debug] [-none] [-engine id] //enc对称加密
$ man enc //查询命令

尝试三种加密算法与加密模式的组合

1. 【ECB vs CBC】分别使用AES-128-ECB和AES-128-CBC加密图片

ECB

openssl enc -aes-128-ecb -e -in pic_original.bmp -out AES128ECB.bmp -K 00112233445566778889aabbccddeeff

加密原始图片
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（图片路径“..\Labsetup\Files\pic_original.bmp”）

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在010 Editor中打开原来的bmp图片文件，找到bmp开头的那串，复制
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再打开加密后的bmp文件，把开头复制过去
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然后就可以看到加密后的图片
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ECB模式会将同样的明文块加密成同样的密文块，因此加密后图片中还是能看出原图特征。

CBC

$ openssl enc -aes-128-cbc -e -in -in pic_original.bmp -out AES128CBC.bmp \
              -K 00112233445566778889aabbccddeeff \
              -iv 0102030405060708

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CBC模式用到前一块的密文，因此相同明文也会加密得到不同结果，从加密后图片中就看不出原先图片的特征。

2. 【流密码特征】使用AES-128-CBC与AES-128-CFB加密长度21字节的明文

openssl enc -aes-128-cbc -e -in plain.txt -out cipher1.txt \
            -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF \
            -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-cfb -e -in plain.txt -out cipher2.txt \
            -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF \
            -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
ls -l plain.txt cipher1.txt cipher2.txt

（晕晕，怎么都比示例图片上的大16bytes）
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加密后开头都多了相同的16字节，是默认加盐了，可以使用命令-nosalt取消默认加盐
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3. 【IV对密文影响】——用AES-128-CBC进行两次加密，IV相差一位

openssl enc -aes-128-cbc -e -in plain.txt -out iv1.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-cbc -e -in plain.txt -out iv2.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0e
xxd -p iv1.txt
xxd -p iv2.txt

可以看到虽然iv向量只修改一位，但密文除了开头16字节全变了
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Task 3: Encryption Mode – ECB vs. CBC

（才发现Task2里不小心把Task3给直接做了）
ECB模式会将同样的明文块加密成同样的密文块，因此加密后图片中还是能看出原图特征。
CBC模式用到前一块的密文，因此相同明文也会加密得到不同结果，从加密后图片中就看不出原先图片的特征。

Task 4：Padding

CBC

创建文件

创建长度分别为5bytes、10bytes、16bytes的文件（p5、p10、p16）

$ echo -n "1234567890" > p10.txt
$ echo -n "1234567890123456" > p16.txt

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加密

openssl enc -aes-128-cbc -e -in p5.txt -out c5.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-cbc -e -in p10.txt -out c10.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-cbc -e -in p16.txt -out c16.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f

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解密

注意加上-nopad防止解密时去除填充内容

openssl enc -aes-128-cbc -d -in c5.txt -out CBC5.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f -nopad
openssl enc -aes-128-cbc -d -in c10.txt -out CBC10.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f -nopad
openssl enc -aes-128-cbc -d -in c16.txt -out CBC16.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f -nopad

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查看填充

hexdump -C CBC5.txt
xxd CBC5.txt

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一开始用大写P加数字命名，然后忽然意识到不区分文件名大小写，会把原文件覆盖掉，就换成了加密模式...
截图上还是p5、p10、p16，因为懒得重新截图了
之后三种加密模式就是重复的copy+paste

ECB

openssl enc -aes-128-ecb -e -in p5.txt -out cECB5.txt -K 00112233445566778889aabbccddeeff
openssl enc -aes-128-ecb -d -in cECB5.txt -out ECB5.txt -K 00112233445566778889aabbccddeeff -nopad
hexdump -C ECB5.txt

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CFB

openssl enc -aes-128-cfb -e -in p5.txt -out cCFB5.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-cfb -d -in cCFB5.txt -out CFB5.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f -nopad
hexdump -C CFB5.txt

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OFB

openssl enc -aes-128-ofb -e -in p5.txt -out cOFB5.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-ofb -d -in cOFB5.txt -out OFB5.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f -nopad
hexdump -C OFB5.txt

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Summary

  • ECB、CBC都有填充：

    • 因为ECB和CBC每次加密都是对于一整块分组，因此必须填充满最后一个分组
    • 填充规则为填充至明文长度为分组长度的整数倍，且当填充前明文长度已经是分组长度整数倍时填充一个分组长度。
    • 填充的每一个字节的内容都表示填充的字节长度
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  • CFB、OFB没有填充：

    • 因为CFB、OFB是流密码，每个分组中都是一位一位加密的，因此不需要填充

  • CTR也是流密码，也没有填充

Task 5: Error Propagation – Corrupted Cipher Text

损坏的密文影响多少信息？

  • ECB：一个分组，16bytes
    一位被改变，这个密文所在的块就被改变。但由于ECB各个块相互独立，所以只影响改动位置所在的块。
  • CBC：最多两个分组
    仅第55bytes所在密文块被改变，由于ECB解密是并行的，每一块只和自己和上一块的密文有关，因此最多影响两个分组
  • CFB：？
    IV向量左移$$j$$位，出错的块至多传播到$$\lceil \frac{n}{j} \rceil $$块
    晕晕，openssl默认$$j$$是多少啊
  • OFB：仅改动的一位，1bit
    密钥流独立于密文块，不受影响

实验过程

创建一个1000+字节的文件

写脚本生成了一个有规律的文件（这样容易看出解密后影响的部分）
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使用AES-128加密文件

命令合集

# ECB
openssl enc -aes-128-ecb -e -in plaintext.txt -out cECB.txt -K 00112233445566778889aabbccddeeff
openssl enc -aes-128-ecb -d -in cECB.txt -out ECB.txt -K 00112233445566778889aabbccddeeff
# CBC
openssl enc -aes-128-cbc -e -in plaintext.txt -out cCBC.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-cbc -d -in cCBC.txt -out CBC.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
# CFB
openssl enc -aes-128-cfb -e -in plaintext.txt -out cCFB.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-cfb -d -in cCFB.txt -out CFB.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
# OFB
openssl enc -aes-128-ofb -e -in plaintext.txt -out cOFB.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f
openssl enc -aes-128-ofb -d -in cOFB.txt -out OFB.txt -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f

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破坏文件的第55字节中的一个bit

使用010Editor打开四个密文文件，以CBC为例，找到第55个字节——“EC”。
看到右边的“Binary”-“Value”以0结尾，直接给“EC”加上1变成“ED”就是只改动一位了
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同理改掉其他三个密文文件（奇数-1，偶数+1）
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解密

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结果

直接打开：

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（可以直观看出OFB只被影响了1bit）

010Editor：

CBC

明文丢失了16bytes（一个分组）的信息
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ECB

明文丢失了16bytes的信息
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CFB

明文丢失了16bytes的信息
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OFB

没必要用010Editor看
只丢失1bit

Task 6: Initial Vector (IV) and Common Mistakes

Task 6.1. IV Experiment

过程

随便整个明文并使用aes-128-cbc加密，这里加上-nosalt取消默认加盐

echo -n "This is a plaintext......" > plaintext.txt
openssl enc -aes-128-cbc -e -in plaintext.txt -out ciphertext.txt \
            -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF \
            -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f \
            -nosalt

使用两个不同IV加密

            -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF \
            -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0e \
            -nosalt

使用两个相同IV加密

openssl enc -aes-128-cbc -e -in plaintext.txt -out sameIV.txt \
            -k 00112233445566778899AABBCCDDEEFF \
            -iv 000102030405060708090a0b0c0d0e0f \
            -nosalt

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再用010Editor打开三个密文文件，使用相同IV加密结果是一样的。

Why does IV need to be unique?

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Task 6.2. Common Mistake: Use the Same IV

\[P_2=P_1\oplus C_1\oplus C_2 \]

修改了一下"Labsetup\Files\sample_code.py"

#!/usr/bin/python3

# XOR two bytearrays
def xor(first, second):
   return bytearray(x^y for x,y in zip(first, second))

MSG   = "This is a known message!"
HEX_1 = "a469b1c502c1cab966965e50425438e1bb1b5f9037a4c159"
HEX_2 = " bf73bcd3509299d566c35b5d450337e1bb175f903fafc159"

# Convert ascii string to bytearray
D1 = bytes(MSG, 'utf-8')

# Convert hex string to bytearray
D2 = bytearray.fromhex(HEX_1)
D3 = bytearray.fromhex(HEX_2)

r1=xor(D1, D2)
r2=xor(r1, D3)

# Convert bytearray to ascii string
print(r2.decode('utf-8'))

得到$$P_2$$：
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Task 6.3. Common Mistake: Use a Predictable IV

首先运行docker
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P1，知道范围是“Yes”或者“No”
C1已知
IV1已知，Bob用来加密的IV
IV2已知，Bob用来加密下一个明文的IV

\[P_1\oplus IV_1$$加密后是$$C_1 \]

\[P_1'\oplus IV_2$$加密后是$$C_2 \]

构造$$P_1'=P_1\oplus IV_1\oplus IV_2$$，使得$$C_1=C_2$$

# XOR two bytearrays
def xor(first, second):
   return bytearray(x^y for x,y in zip(first, second))

# construct the guess (with the padding)
YES = b"Yes" + bytes("\x0d"*13, 'utf-8')
NO = b"No" + bytes("\x0e"*14, 'utf-8')
IV1 = "32fd14233c573eb07b7e913c94400a23"
IV2 = "cb0bf5503c573eb07b7e913c94400a23"
# Calculate the plaintext
r1 = xor(bytearray.fromhex(IV1), bytearray.fromhex(IV2))
r2 = xor(r1, YES)
r3 = xor(r1, NO)
print(r2.hex()) #猜测Yes构造的明文
print(r3.hex()) #猜测No构造的明文

猜测是Yes（注意AES填充规则）
把用“Yes”构造出的明文放进去，得到$$C_2$$，发现第一块与$$C_1$$相同（后面一块是padding加密后的结果，无意义）。
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所以Bob的秘密消息就是"YES"

*Task 7: Programming using the Crypto Library

（不想写了，之后有空再填坑）

posted @ 2024-09-18 17:01  IrisHyaline  阅读(17)  评论(0)  编辑  收藏  举报