TEA家族算法
本文回顾了TEA家族算法，并以极客大挑战的一道题为案例进行分析
TEA系列算法总结
前言：之前都是面向CTF-reverse学的TEA算法，属于是只知道找算法特征然后无脑一把梭，现在来好好学习总结一下
TEA
引用百度百科的介绍：
TEA算法由剑桥大学计算机实验室的David Wheeler和Roger Needham于1994年发明。它是一种分组密码算法，其明文密文块为64位（8字节），密钥长度为128位（16字节）。TEA算法利用不断增加的Delta(黄金分割率)值作为变化，使得每轮的加密是不同，该加密算法的迭代次数可以改变，建议的迭代次数为32轮。
TEA 采用与 DES 算法类似的 Feistel 结构，迭代的每次循环使用加法和移位操作，对明文和密钥进行扩散和混乱，实现明文的非线性变换。TEA 密钥长度和迭代次数都是 DES 的两倍，抗“试错法”攻击的强度不低于 DES 算法。算法以32bits 的字为运算单位，而不是耗费计算能力的逐位运算。算法没有采用 DES 那样的转换矩阵，它安全、高效、占用存储空间少，非常适合在嵌入式系统中应用, 据说 QQ 就是使用 16 轮迭代的 TEA 算法。
简单来说，就是又轻量又快
加密原理
原理图如下（k[]就是密钥key数组）
加密时，先把明文块（64位）分成两个32位的无符号整数
1.将其中一个无符号整数(设为v0)作为输入端生成对另一个无符号整数(设为v1)进行加密的内容，该过程包括：
- (v0<<4)+k[0]
- sum+=Delta; v0+sum（sum初始值为0）
- (v0>>5)+k[1]
以上计算得到的3个值相互异或。将异或后的值与v1相加，相加后的值给v1
用代码表示如下
v1+=((v0<<4)+k[0])^(v0+sum)^((v0>>5)+k[1]);
2.将得到的v1作为下一次加密的输入端，生成对v0进行加密的内容，该过程包括：
- (v1<<4)+k[2]
- sum+=Delta;v1+sum
- (v1>>5)+k[3]
同样地，以上计算得到的3个值相互异或。将异或后的值与v0相加，相加后的值给v0
v0+=((v1<<4)+k[2])^(v1+sum)^((v1>>5)+k[3]);
依次类推，回到步骤1，直到进行32轮加密
完整加密代码如下：
void encrypt (uint32_t *v,uint32_t *k ){
uint32_t v0=v[0],v1=v[1],sum=0,i;
uint32_t delta=0x9e3779b9;//（通常默认delta的值为0x9e3779b9，但它是多少其实不重要）
uint32_t k0=k[0],k1=k[1],k2=k[2],k3=k[3];
for(i=0;i<32;i++){
sum+=delta;
v0+=((v1<<4)+k0)^(v1+sum)^((v1>>5)+k1);
v1+=((v0<<4)+k2)^(v0+sum)^((v0>>5)+k3);
}
v[0]=v0;v[1]=v1;
}
解密原理
由于异或的可逆性，解密过程就是把加密的顺序颠倒一下，+变成-就行
重点是将加密的
sum+=delta;
v0+=((v1<<4)+k0)^(v1+sum)^((v1>>5)+k1);
v1+=((v0<<4)+k2)^(v0+sum)^((v0>>5)+k3);
颠倒成
v1-=((v0<<4)+k2)^(v0+sum)^((v0>>5)+k3);
v0-=((v1<<4)+k0)^(v1+sum)^((v1>>5)+k1);
sum-=delta;
完整解密代码如下
void decrypt (uint32_t *v,uint32_t *k){
uint32_t v0=v[0],v1=v[1],sum=0xC6EF3720,i;//这里的sum是0x9e3779b9*32后截取32位的结果，截取很重要。
uint32_t delta=0x9e3779b9;
uint32_t k0=k[0],k1=k[1],k2=k[2],k3=k[3];
for (i=0;i<32;i++){
v1-=((v0<<4)+k2)^(v0+sum)^((v0>>5)+k3);
v0-=((v1<<4)+k0)^(v1+sum)^((v1>>5)+k1);
sum-=delta;
}
v[0]=v0;v[1]=v1;
main举例
int main()
{
uint32_t v[2]={1,2},k[4]={2,2,3,4};
printf("加密前的数据：%u %u\n",v[0],v[1]); //%u 以十进制形式输出无符号整数
encrypt(v,k);
printf("加密后数据：%u %u\n",v[0],v[1]);
decrypt(v,k);
printf("解密后数据：%u %u\n",v[0],v[1]);
return 0;
}
实战
以极客大挑战的DH爱喝茶为例（只关注加密部分）
unsigned int __cdecl enc(unsigned int *a1, int *a2)
{
unsigned int result; // eax
unsigned int v3; // [esp+8h] [ebp-28h]
unsigned int v4; // [esp+Ch] [ebp-24h]
int v5; // [esp+10h] [ebp-20h]
unsigned int i; // [esp+14h] [ebp-1Ch]
int v7; // [esp+1Ch] [ebp-14h]
int v8; // [esp+20h] [ebp-10h]
v3 = *a1;
v4 = a1[1];
v5 = 0;
v7 = *a2;
v8 = a2[1];
for ( i = 0; i <= 0x1F; ++i )
{
v5 += (unsigned __int8)(v8 ^ v7) - 0x6789ABCE;
v3 += (v4 + v5) ^ (16 * v4 + v7) ^ ((v4 >> 5) + v8);
v4 += (v3 + v5) ^ (16 * v3 + a2[2]) ^ ((v3 >> 5) + a2[3]);
}
*a1 = v3;
result = v4;
a1[1] = v4;
return result;
}
//调用部分
v6[0] = 0x56789ABC;
v6[1] = 0x6789ABCD;
v6[2] = 0x789ABCDE;
v6[3] = 0x89ABCDEF;
puts("plz treat DH with a cup of tea:");
fgets(s, 33, stdin);
s[strcspn(s, "\n")] = 0;
for ( i = 0; i <= 3; ++i )
{
v6[i] = __ROL4__(v6[i], 6);//对v6[i]左循环位移6位，相当于右移2位
enc((unsigned int *)&s[8 * i], v6);//魔改TEA加密内容
}
关注enc函数，可以发现它在原TEA的基础上做了一些魔改，但不影响解密，仍然是+变成-，-变成+，异或还是异或，Delta它是多少就是多少，这个不重要
核心代码如下
int v5[] = {0xecaa140, 0xeca8fc0, 0xeca8fc0, 0xeca8fc0};//外层有4次调用enc，每次调用后最后得到的v5不一样
for (i = 0; i <= 0x1F; ++i)
{
v4 -= (v3 + v5) ^ (16 * v3 + a2[2]) ^ ((v3 >> 5) + a2[3]);
v3 -= (v4 + v5) ^ (16 * v4 + v7) ^ ((v4 >> 5) + v8);
v5 -= (unsigned __int8)(v8 ^ v7) - 0x6789ABCE;
}
XTEA
之后 TEA 算法被发现存在缺陷，作为回应，设计者提出了一个 TEA 的升级版本——XTEA（有时也被称为"tean"）
XTEA是TEA的升级版，也被称作为Corrected Block TEA，它增加了更多的密钥表，移位和异或操作等等，设计者是Roger Needham, David Wheeler
XTEA 跟 TEA 使用了相同的简单运算，但它采用了截然不同的顺序，为了阻止密钥表攻击，四个子密钥（在加密过程中，原 128 位的密钥被拆分为 4 个 32 位的子密钥）采用了一种不太正规的方式进行混合，但速度更慢了。
加密算法如下：
#include<stdio.h>
#include<stdint.h>
void XTEA_encipher(unsigned int num_rounds, uint32_t v[2], uint32_t const key[4]){
unsigned int i;
uint32_t v0=v[0],v1=v[1],sum=0,delta=0x9E3779B9;
for(i=0;i<num_rounds;i++){
v0+=(((v1<<4)^(v1>>5))+v1)^(sum+key[sum&3]);
sum+=delta;
v1+=(((v0<<4)^(v0>>5))+v0)^(sum+key[(sum>>11)&3]);
}
v[0]=v0;v[1]=v1;
}
void XTEA_decipher(unsigned int num_rounds,uint32_t v[2],uint32_t const key[4]){
unsigned int i;
uint32_t v0=v[0],v1=v[1],delta=0x9E3779B9,sum=delta*num_rounds;
for(i=0;i<num_rounds;i++){
v1-=(((v0<<4)^(v0>>5))+v0)^(sum+key[(sum>>11)&3]);
sum-=delta;
v0-=(((v1<<4)^(v1>>5))+v1)^(sum+key[sum&3]);
}
v[0]=v0;v[1]=v1;
}
from ctypes import *
def encrypt(v,k):
v0=c_uint32(v[0])
v1=c_uint32(v[1])
sum1=c_uint32(0)
delta=0x9e3779b9
for i in range(32):
v0.value+=(((v1.value<<4)^(v1.value>>5))+v1.value)^(sum1.value+k[sum1.value&3])
sum1.value+=delta
v1.value+=(((v0.value<<4)^(v0.value>>5))+v0.value)^(sum1.value+k[(sum1.value>>11)&3])
return v0.value,v1.value
def decrypt(v,k):
v0=c_uint32(v[0])
v1=c_uint32(v[1])
delta=0x9e3779b9
sum1=c_uint32(delta*32)
for i in range(32):
v1.value-=(((v0.value<<4)^(v0.value>>5))+v0.value)^(sum1.value+k[(sum1.value>>11)&3])
sum1.value-=delta
v0.value-=(((v1.value<<4)^(v1.value>>5))+v1.value)^(sum1.value+k[sum1.value&3])
return v0.value,v1.value
if __name__=='__main__':
a=[1,2]
k=[2,2,3,4]
print("加密前数据:",a)
res=encrypt(a,k)
print("加密后的数据:",res)
res=decrypt(res,k)
print("解密后数据:",res)
XXTEA
XXTEA，又称Corrected Block TEA，是XTEA的升级版 ，设计者是Roger Needham, David Wheeler。
特点：原字符串长度（明文）可以不是4的倍数了，是目前TEA系列中最安全的算法，但性能较上两种有所降低。
加密流程：
示例代码：
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#define DELTA 0x9e3779b9
#define MX (((z>>5^y<<2) + (y>>3^z<<4)) ^ ((sum^y) + (key[(p&3)^e] ^ z)))
void btea(uint32_t *v, int n, uint32_t const key[4])
{
uint32_t y, z, sum;
unsigned p, rounds, e;
if (n > 1) /* Coding Part */
{
rounds = 6 + 52/n;
sum = 0;
z = v[n-1];
do
{
sum += DELTA;
e = (sum >> 2) & 3;
for (p=0; p<n-1; p++)
{
y = v[p+1];
z = v[p] += MX;
}
y = v[0];
z = v[n-1] += MX;
}
while (--rounds);
}
else if (n < -1) /* Decoding Part */
{
n = -n;
rounds = 6 + 52/n;
sum = rounds*DELTA;
y = v[0];
do
{
e = (sum >> 2) & 3;
for (p=n-1; p>0; p--)
{
z = v[p-1];
y = v[p] -= MX;
}
z = v[n-1];
y = v[0] -= MX;
sum -= DELTA;
}
while (--rounds);
}
}
int main()
{
uint32_t v[2]= {1,2};
uint32_t const k[4]= {2,2,3,4};
int n= 2; //n的绝对值表示v的长度，取正表示加密，取负表示解密
// v为要加密的数据是两个32位无符号整数
// k为加密解密密钥，为4个32位无符号整数，即密钥长度为128位
printf("加密前原始数据：%u %u\n",v[0],v[1]);
btea(v, n, k);
printf("加密后的数据：%u %u\n",v[0],v[1]);
btea(v, -n, k);
printf("解密后的数据：%u %u\n",v[0],v[1]);
return 0;
}
单独的加密代码：
void XXTEA_encrypto(unsigned int v[8], unsigned int key[4]) {
unsigned int sum = 0;
unsigned int y, z, p, rounds, e;
int n = 8; // 数组v的长度
rounds = 6 + 52 / n;
y = v[0];
sum = 0; // 加密时从0开始加delta
while (rounds--) {
sum += delta;
e = sum >> 2 & 3;
for (p = n - 1; p > 0; p--) {
z = v[p - 1];
y = v[p] = v[p] + ((((z >> 5) ^ (y << 2)) + ((y >> 3) ^ (z << 4))) ^
((key[(p & 3) ^ e] ^ z) + (y ^ sum)));
}
z = v[n - 1];
y = v[0] = v[0] + (((key[(p ^ e) & 3] ^ z) + (y ^ sum)) ^
(((y << 2) ^ (z >> 5)) + ((z << 4) ^ (y >> 3))));
}
}
另外的解密代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define delta 0x9e3779b9
void XXTEA_decrypto(unsigned int v[8], unsigned int key[4]) {
unsigned int sum = 0;
unsigned int y, z, p, rounds, e;
int n = 8; // 数组v的长度
rounds = 6 + 52 / n;
y = v[0];
sum = rounds * delta;
do {
e = sum >> 2 & 3;
for (p = n - 1; p > 0; p--) {
z = v[p - 1];
v[p] -= ((((z >> 5) ^ (y << 2)) + ((y >> 3) ^ (z << 4))) ^
((key[(p & 3) ^ e] ^ z) + (y ^ sum)));
y = v[p];
}
z = v[n - 1];
v[0] -= (((key[(p ^ e) & 3] ^ z) + (y ^ sum)) ^
(((y << 2) ^ (z >> 5)) + ((z << 4) ^ (y >> 3))));
y = v[0];
sum -= delta;
} while (--rounds);
// 打印结果（如果需要）
for (int i = 0; i < n; i++) {
printf("%c%c%c%c", *((char *)&v[i] + 0), *((char *)&v[i] + 1),
*((char *)&v[i] + 2), *((char *)&v[i] + 3));
// 或者使用下面这行来以不同的字节顺序打印
// printf("%c%c%c%c", *((char *)&v[i] + 3), *((char *)&v[i] + 2), *((char *)&v[i] + 1), *((char *)&v[i] + 0));
}
}
