Web狗要懂的CBC翻转字节攻击(Flipped Ciphertext Bits)

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Pr0ph3t
2017.10.24 13:44* 字数 736

这次蓝盾杯线上赛遇到了一题类似于NJCTF的CBC翻转攻击的题目,不过题目被改简单了,省去了最开始的Padding Oracle攻击部分,直接给出了初始字符串。
源码如下:

<?php 
error_reporting(0);
define("METHOD", "aes-128-cbc");
define("SECRET_KEY", "XXXXX");
$flag = "flag{...}";
session_start();

function get_random_token(){
    $random_token='';
    for($i=0;$i<16;$i++){
        $random_token.=chr(rand(1,255));
    }
    return $random_token;
}

function get_identity()
{
 $defaultID = "heheda";
 $token = get_random_token();
    $_SESSION['id'] = base64_encode(openssl_encrypt($defaultID, METHOD, SECRET_KEY, OPENSSL_RAW_DATA, $token));
    setcookie("token", base64_encode($token));
    $_SESSION['isadmin'] = false;
}

function is_admin()
{
 if(isset($_SESSION['id'])){
  $token = base64_decode($_COOKIE['token']);
  if($id = openssl_decrypt(base64_decode($_SESSION['id']), METHOD, SECRET_KEY, OPENSSL_RAW_DATA, $token)){
   if($id == "admin")
    $_SESSION['isadmin'] = true;
  } else {
   die("Error!");
  }
 }
}

if(!isset($_SESSION['id']))
    get_identity();
else {
 is_admin();
 if ($_SESSION["isadmin"]){
     echo "You are admin!\n";
     die($flag);
 }else
     echo "You are not admin!\n";
}

 ?>

先上脚本

import base64 as b64
import binascii
import requests

source_str = 'heheda' + 10 * '\x0a'
target_srt = 'admin' + 11 * '\x0b'
token = 'ooeOFlWe26ZCTl8nVzCd2Q==' #你获得的初始IV的base64encode值
token = list(b64.b64decode(token))
# token[0] = chr(ord('h') ^ ord('a') ^ ord(token[0]))
# print token
# exit()
for x in xrange(0,len(target_srt)):
    token[x] = chr(ord(token[x]) ^ ord(target_srt[x]) ^ ord(source_str[x]))
print b64.b64encode(''.join(token))

这里我们可控的只有解密的初始向量IV 下面是介绍这个加密方法的原理:


加密过程

加密过程
  1. 首先将明文分成每X位一组,位数不足的是用特殊字符填充 !!!!!!!
    X常见的为16位,也有32位
    这里要注意,CBC的填充规则是缺少N位,就用 N 个 '\xN'填充,如缺少10位则用 10 个 '\x10'填充
  2. 然后生成初始向量IV(这里的初始向量如果未特定给出则随机生成)和密钥
  3. 将初始向量与第一组明文异或生成密文A
  4. 用密钥加密密文A 得到密文A_1
  5. 重复3 将密文A_1与第二组明文异或生成密文B
  6. 重复4 用密钥加密密文B_1
  7. 重复3-6 直到最后一组明文
  8. 将IV和加密后的密文拼接在一起,得到最终的密文

解密过程

解密过程
  1. 首先从最终的密文中提取出IV (IV为加密时指定的X位)
  2. 将密文分组
  3. 使用密钥对第一组密文解密得到密文A,然后用IV进行异或得到第一组明文
  4. 使用密钥对第二组密文解密得到密文B,然后用A与B进行异或得到第二组明文
  5. 重复3-4 直到最后一组密文

所以根据以上过程,攻击点有两个,一个是初始向量IV,第二个是第N-1个密文。题目利用的是IV攻击的点

下面是攻击过程:
根据解密过程,假设A为明文,B为前一组密文,C为密文经过密钥解密之后的字符串:

$A = Plaintext[0] = 11 ;
$B = Ciphertext[0] = 13 ;
$C = Decrypt(Ciphertext)[0] = 6 ;

解密过程中我们是用 C与B 异或得到A, 即 C ^ B = A

题目这里只需要我们更改第一组明文的信息,所以我们只需要简单更改IV即可,
即有以下过程:

$A = Plaintext[0] = 'h' ;
$B = IV[0] =  可控;
$C = Decrypt(Ciphertext)[0] = ?;

//所以我们需要伪造一个新的IV向量,使得$C ^ New_IV = 我们需要的明文
//因为有 
$C ^ Old_IV = Source_str
//所以
$C = Old_IV ^ Source_str
//并且我们还需要
$C ^ New_IV = Target_str
//即
$C = New_IV ^ Target_str
//所以
Old_IV ^ Source_str = New_IV ^ Target_str
//所以
New_IV = Old_IV ^ Source_str ^ Target_str

下面是密文攻击的点

假如已知异或之后的第N-1组密文(Decrypt之后的密文),我们就可以通过字节翻转改变第N组明文

数学原理和前面一种攻击点类似

下面假设我们要更改第3组明文$Old_pt[1]为第2组明文,$Old_ct[1]为第2组密文,$Old_ct[2]为第3组密文

$Plaintext = [
  'comment1=wowsuch',
  '%20CBC;userdata=',
  '*admin=true;come',
  'nt2=%20suchsafe%',
  '20very%20encrypt',
  'wowww'
];//我们要使$Plaintext[2]中的*变成;
//密文全部已知并可控
$Old_pt[1] = Plaintext[1] = '%20CBC;userdata=';
$Old_ct[1] = Decrypt(Ciphertext)[1] = 已知 并且我们攻击的点在这;
$Old_ct[2] = Decrypt(Ciphertext)[2] = 已知;

//所以我们需要伪造一个新的第2组密文,使得$Old_ct[2] ^ $New_ct[1] = 我们需要的明文
//因为有 
$Old_ct[1] ^ $Old_ct[2] = $Old_pt[2];
//所以
$Old_ct[2] = $Old_ct[1] ^ $Old_pt[2];
//并且还已知
$New_ct[1] ^ $Old_ct[2] = $New_pt[2];
//即
$Old_ct[2] = $New_ct[1] ^ $New_pt[2];
//所以
$Old_ct[1] ^ $Old_pt[2] = $New_ct[1] ^ $New_pt[2];
//所以
$New_ct[1] = $Old_ct[1] ^ $Old_pt[2] ^ $New_pt[2];

暂时不知道有啥特别用处的数学背景

$C ^ $C = 0; // <====一式 (任何数和自己异或都为0)
//又因为
$A = $B ^ $C;
//所以有
$C = $A ^ $B;
//所以一式又可以写成
$A ^ $B ^ $C = 0;

//又因为任何数和0异或都为自身,所以有
$A ^ $B ^ $C ^ 3 = 3;

作者水平有限 如有错误请指出 Orz

参考文章 : http://www.ifuryst.com/archives/CBC_bitflipping_attacks.html

Writeup
Gupao