cryptopals解密之旅2-1

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。
第二套一共有八关。

第二套题目

主要是和分组密码相关的

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先来看第9题

对于分组密码而言，通过会将整数的块的明文转为密文，但是我们一般碰到的消息长度不会是块的整数倍的，这时候就需要将其填充（padding）成块的整数倍大小。最流行的一种填充模式是PKCS#7
题目要求我们用代码实现PKCS#7

在分组加密算法中，进行分组时，划分后最后一组如果不够块大小时，需要填充，常见的填充模式有PKCS#5,PKCS#7。对于PKCS#5而言，明确定义Block的大小是8位，而在PKCS7Padding定义中，对于块的大小是不确定的，可以在1-255之间。
填充字符串由一个字节序列组成，填充的字节都是一个相同的字节，该字节的值就是要填充的字节的个数。
比如要填充7个字节，则需要填充7个0x7

实现一个函数，用于进行PKCS#7填充。如果消息长度等于块大小的话，无需填充，直接返回；否则先计算需要填充的长度，然后将其附加在原消息之后

实现一个函数，用于判断数据是否经过PKCS#7填充。假设是正常实现的填充，将所填充的字符串存入padding，然后根据“填充的字节都是一个相同的字节，该字节的值就是要填充的字节的个数“进行检查。如果检查通过，则是经过PKCS#7填充的。

可以对应实现一个函数，实现逆PKCS#7填充，也就是将被填充的数据还原，通过is_pkcs_padded函数检查，如果没被填充过则直接返回，如果被填充过，则直接截取被填充后的字符串的前一部分（即原始数据）返回

完整代码及执行结果如下

顺便使用断言测试pacs7_unpad是否可用

没有报错，说明正常执行

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第10题

要求我们实现CBC模式，并对给出的文本文件进行解密。并提示我们复用之前写过的EBC代码（不过此时是写加密的函数）和XOR代码。还给出了密钥和IV

这里涉及的知识点是CBC模式
其中文全称是密码分组链接模式（Cipher Block Chaining (CBC)）
这种模式是先将明文切分成若干小段，然后每一小段与初始块（IV）或者上一段的密文段进行异或运算后，再与密钥进行加密。如下所示

实现ASES-ECB加密函数。数据加密前常需要PKCS#7填充。

异或函数

实现AES-CBC加密函数，其接收的参数就是明文、密钥、IV
分块进行处理，分块后先进行填充padding，再进行与IV或上一个密文块进行异或，然后AES-ECB加密（即前面将CBC实现图中的加密器部分），接着处理下一块

实现AES-CBC解密函数，可以返回填充或未填充的明文。同样需要分块进行，和加密函数倒着来就行，先AES-ECB解密,然后XOR。

完整代码及执行后得到的明文如下

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第11题

要求写一个函数实现生成随机的16字节AES 密钥
写一个函数根据随机密钥进行加密，在加密前在明文的前后各添加5到10字节随机值，随机选取加密方式为ECB或CBC，如果是CBC，还需要选择随机的IV
要求我们能够写一个函数，能够判断某个被加密的块是使用CBC还是ECB模式

根据填充后明文，随机生成的key，随机决定采用的模式（ECB或CBC）进行加密，如果是CBC的话，其IV也是随机的，所以用Random.new()

该数据填充上5到10字节随机数作为前缀和后缀

根据count_aes_ecb_repetitions返回的结果来判断是ECB还是CBC加密模式

我们选择重复的输入数据，这样我们就可以结合ECB的特点来探测其是否为ECB模式，不是ECB则是CBC模式。

完整代码及执行断言结果如下

没有报错，说明写的这些函数都能成功执行。

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第12题

该函数使用ECB模式，使用同一个但是未知的key
在加密前，在明文后附加给出的字符串（在附加之前先对该字符串base64解密我们有一个函数可以计算AES-128-ECB(your-string || unknown-string, random-key)，而ECB Byte at a time技术可以让我们需要控制your-string，就可以在不知道random-key的情况下得到unkown-string。
基本流程如下：
1.将相同的字符串字节传入函数1，从传入1个字节（A）开始，然后AA,AAA。。。直到找到密文的块的大小
2.测试加密模式是否为ECB
3. 知道块的大小后，设计一个恰好少1字节的输入块（例如，如果块大小为8字节，则输入“ AAAAAAA”）。 思考一下oracle函数将在最后一个字节位置放置什么。
4. 通过将不同的字符串输入到oracle中，为每个可能的最后一个字节创建字典； 例如“ AAAAAAAA”，“ AAAAAAAB”，“ AAAAAAAC”，记住每个调用的第一个块。
5. 将one-byte-short输入的输出与字典中的一项匹配。 现在，我们就已经发现了unknown-string的第一个字节。
6.针对下一个字节继续重复

这里的原理还是基于ECB模式自身缺陷
假设我们有aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaab，16字节分组后如下所示

对于前两个块，他们的输入都是16个a，他们对应的输出是一样的。也就是说相同输入会有相同输出，我们就可以根据这一点进行攻击。
举个实际生活中的例子，假设找到一个网站，它的会话cookies是这么生成的：
AES_ECB(USERNAME + SECRET, KEY)，我们作为攻击者可以任意改变username，得到不同的密文。作为攻击者，我们想要得到secret。来看看我们是怎么攻击的。
首先我们将15个a作为username，得到密文

可知作为一个16字节大小的块，第16字节是来自secret的未知字符
接下来暴力测试第16个字节的可能值，将得到的相应密文与上图的密文对比

如上所示，当第16字节为c时，生成的密文和之前得到的密文是相同的，所以我们就知道secret的第1个字节是c了。
接下来我们设置username为14个a，则在构造块时，第15字节是secret的第一个字节c，那么第16个字节自然是来自secret的第二个字节，暂时未知，同样可以得到密文

然后暴力测试第16个字节的可能值

第16个字节为o时，密文才是一样的，所以可知secret的第二个字节为o
以此类推，就可以得到secret的明文了

回到题目本身，我们来看看如何实现

填充后使用AES-128-ECB模式加密

该函数用于返回encryption_oracle使用的块密码的块长度。
要找到一个块的长度，我们将加密越来越长的明文，直到输出密文的大小也增加为止。发生这种情况时，我们可以轻松地计算出一个块的长度，其值等于新的密文长度与其初始长度之间的差。

该函数用于获取依次获取unknown-string的下一个字节,这个函数是本题的关键。
首先计算要用作输入的字符数，以使unkown-string的第一个未知的字符置于块的末尾。接着计算我们从伪造的密文和实际密文得到的字节数，进行比较，这个值在后面的密文比较中用于截取数据。然后计算实际的密文。之后是暴力尝试，通过比较密文，来找到待求的字符

获取块长度，通过判断密文中是否有重复的字符串来判断是否为ECB模式。然后获取要解密的字符数量，其值等于我们加密空信息时得到的密文长度。该值在最后的循环中会用到，在循环体里，一个字符一个字符地操作。

完整代码及执行结果如下：

可以看到成功拿到了unknown_string的明文
也可以使用断言测试

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