cryptopals解密之旅1-2

0x00前言
本系列文章将带来cryptocals 这套密码学挑战的write-up.不同于通过上课或者看书的方式学习密码学，这些题目来自于现在生活中一些软件系统和密码构造中的缺陷。
本系列每一个题的wp基本是采用如下结构：题目解释、相关知识点讲解、代码实现及解释，运行测试。代码均采用python3实现,代码实现部分是参考国外大佬ricpacca的，结合自己的理解及成文需要进行部分修改。
第一套一共有八关。

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第五关

给出了明文和密钥，要求实现repeating-key XOR,比如密钥是ICE，则明文第一个字符与I异或，第二个字符与C异或，第三个字符与E异或，第四个字符与I异或，继续下去。。。
通过i来控制ICE中由哪一个字符进行异或，在i=len(key),也就是i在循环中达到3时，将其置0，继续从I开始异或，否则自增，按照I、C、E顺序异或

完整代码及执行结果如下

0x06
第6关

给出了一个文件，该文件首先经过repeating-key XOR,然后base64编码得到
要求我们给出密钥和明文。
并且给出了提示：
1.确定KEYSIZE，也就是密钥的长度，比如说可以尝试从2到40的值
2.实现一个函数，该函数功能是计算两个字符串的汉明距
3.每次尝试KEYSIZE时，分别计算两个长度为KEYSIZE的字节的串，计算其汉明距
4.选取2-3个最小汉明距离的KEYSIZE（如果选取了正确的密钥长度，两两块之间的汉明距离的值应该趋于小），在确定时可以采用一些技巧，如选取4个块，两两组合计算汉明距，再除以组合数，再除以key_size，进行规格化。
5.知道KEYSIZE大小后，将密文按照KEYSIZE大小分到每个块里面
6.然后可以重新组合，将每个块的第一个字节取出来重新组成一个块，将每个块的第二个字节取出来重新组成第二个块。。
7.对于新组成的块而言，此时解密就相当于是单字符的异或，我们之前已经学过怎么处理这种情况了
8.将每个单字符异或的key组合起来就是我们要求的repeating-key XOR的key了，将明文拼接起来就是所求的完整明文了

代码实现
汉明距是一个概念，它表示两个（相同长度）字对应位不同的数量，我们以d（x,y）表示两个字x,y之间的汉明距离。对两个字符串进行异或运算，并统计结果为1的个数，那么这个数就是汉明距离比如011，110，其第一位和第三位不同，故汉明距为2；而在代码中我们是通过异或的方式计算汉明距：将其异或，然后看有多个位是1.还是上面的例子，011和110异或得到101，结果中有两个1，所以其汉明距为2

暴力测试key_size，根据题目的建议，取出根据key_size大小划分的4组
然后使用迭代器itertools的combinations来组合。这个函数很简单，看个简单的例子就清楚了
com1=combinations(‘abcd’, 2)
for i in com1:
print i

output:
(‘A’, ‘B’)
(‘A’, ‘C’)
(‘A’, ‘D’)
(‘B’, ‘C’)
(‘B’, ‘D’)
(‘C’, ‘D’)
在代码中计算任两组的汉明距，然后累加，这里一共是6组数据，所以将累加结果除以6，得到平均的汉明距，接着将其除以key_size进行规范化，得到normaliezd_distance,将其存到key_size对应的数组里，便于与后面的数据进行比较。
有最小normalized_distance的key_size，最有可能就是真正的key_size。但是仅是可能性大而已，我们选中最有可能的三个key_size（normalized_distance最小的三个所对应的key_size）

然后分别进行测试，安装key_size大小将密文分块，然后将每个块的第一个字节组成新的第一个块，将每个块的第二个字节组成新的第二个块。。。然后按照单字节xor的方式来分别处理每一块，将得到的明文拼接起来。这样子，一共会有三个结果，然后根据之前实验，通过字符频率相加计算分数的方法，分数最大的则是最有可能是正确明文。

在main函数中我们首先是测试了我们计算汉明距的函数是否能正确执行
接着就是读入密文文件，先进行base64解密，然后进行前面介绍的流程，最后返回结果

完整代码及运行结果如下

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第7关

给出了密文，该密文是由明文经AES-128 ECB模式加密后得到的内容再经过base64编码而成。题目给了密钥，并提示大小写敏感，密钥长度为16字节
要求我们解密出明文

这里涉及两个知识点，一个是AES；一个是ECB，AES属于分组密码，密码密码典型的操作模式包括ECB,CBC,CFB,OFB,CTR，下文会介绍ECB，其他的操作模式在后面的题目中碰到了再介绍。

AES是高级加密标准（Advanced Encryption Standard: AES），是用以取代des的，在美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology: NIST）在全球进行征集的时候，AES得到了全世界很多密码工作者的响应，先后有很多人提交了自己设计的算法。最终有5个候选算法进入最后一轮：Rijndael，Serpent，Twofish，RC6和MARS。最终经过安全性分析、软硬件性能评估等严格的步骤，Rijndael算法获胜。
Rijndael是一个分组密码算法族，其分组长度包括128比特、160比特、192比特、224比特、256比特，密钥长度也包括这五种长度，但是最终AES只选取了分组长度为128比特，密钥长度为128比特、192比特和256比特的三个版本。本次涉及的是128比特的。
AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）

AES加解密的流程，从图中可以看出：1）解密算法的每一步分别对应加密算法的逆操作，2）加解密所有操作的顺序正好是相反的。正是由于这几点（再加上加密算法与解密算法每步的操作互逆）保证了算法的正确性。加解密中每轮的密钥分别由种子密钥经过密钥扩展算法得到。算法中16字节的明文、密文和轮子密钥都以一个4x4的矩阵表示。
1）字节代替的主要功能是通过S盒完成一个字节到另外一个字节的映射。S盒用于提供密码算法的混淆性，S盒在分组密码算法中，是唯一的非线性结构，其S盒的指标的好坏直接决定了密码算法的好坏。
2）行移位：是一个4x4的矩阵内部字节之间的置换，用于提供算法的扩散性
3）列混淆：利用GF(28)域上算术特性的一个代替，同样用于提供算法的扩散性
4）轮密钥加：依据的原理是“任何数和自身的异或结果为0”。加密过程中，每轮的输入与轮子密钥异或一次；因此，解密时再异或上该轮的轮子密钥即可恢复
5）密钥扩展算法比较复杂，可以参考：http://www.cs.utsa.edu/~wagner/laws/AESkeys.html

ECB模式：
ECB是最简单的加密模式。需要加密的消息按照块密码的块大小被分为数个块，并对每个块进行独立加密。

其缺点在于同样的明文块会被加密成相同的密文块；因此，它不能很好的隐藏数据模式。在某些场合，这种方法不能提供严格的数据保密性，因此并不推荐用于密码协议中。

题目的代码实现：
这里我们直接使用crypto库的函数
查阅相关文档可知其具体用法：https://pycryptodome.readthedocs.io/en/latest/src/cipher/classic.html#ecb-mode

AES.new(key, AES.MODE_ECB)可以实例化一个新的AES-ECB密文对象，然后调用decrypt方法即可解密

解释一下最后一句的注释：
我们可以直接返回解密的结果，如第三行的代码所示；但是为了通用性（因为在后面的解答中还会这种这里的代码），使用我们在第二套第9关编写的pkcs7_unpad方法去除填充
在main函数中就是读入密文，先将其base64解码，然后传到aes_ecb_decrypt函数进行解密
完整代码及执行结果如下

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第八关

题目给了一个文件，是16进制编码的一些字符串，其中有一个字符串是AES-ECB加密过的，要求我们找出来。
解题最关键的一步就是要知道：由于ECB模式的特点，同样的明文块会被加密成相同的密文块。所以我们可以通过查找加密字符串中是否有相同的密文块，来判断是否为ECB模式。如果都有相同的密文块（一般是不会出现这种情况的，因为如果有这种模式，那是非常危险的，这也是为什么ECB非常不被推荐使用的原因），则相同密文块最多的那个字符串是ECB模式加密得到的。

计算重复块的次数

计算每一串密文的重复块数， 返回有最多重复块的密文，这最可能是AES-ECB加密得到的

完整代码及执行结果如下

参考：
1.https://cryptopals.com/sets/1
2.https://github.com/ricpacca/cryptopals