CTF| 密码学之流加密 – 作者:漏斗社区

数据加密概念:

所谓数据加密（Data Encryption）技术是指将一个信息（或称明文，plain text）经过加密钥匙（Encryption key）及加密函数转换，变成无意义的密文（cipher text），而接收方则将此密文经过解密函数、解密钥匙（Decryption key）还原成明文。加密技术是网络安全技术的基石。（本描述来源百度百科：https://baike.baidu.com/item/数据加密技术/4804539）

常见的加密算法可以分成三类，对称加密算法，非对称加密算法和Hash算法。常见的对称加密算法：DES、3DES、DESX、Blowfish、IDEA、RC4、RC5、RC6和AES；常见的非对称加密算法：RSA、ECC（移动设备用）、Diffie-Hellman、El Gamal、DSA（数字签名用）；常见的Hash算法：MD2、MD4、MD5、HAVAL、SHA、SHA-1、HMAC、HMAC-MD5、HMAC-SHA1。

流加密概念:

在计算机领域中，信息的存储采用二进制（0和1）进行表示，所有的信息都必须转换成计算机的位，以进行存储和操作。比如数字5被表示成二进制为0101，字母A通过ASCII码转换成二进制0100 0001。为了保证计算机二进制数据的保密性，通过加密算法将某些1改变成0，某些0改变成1，这样子的加密算法被叫做流加密算法。

流加密，是对称加密算法的一种，加密和解密双方使用相同伪随机加密数据流（pseudo-randomstream）作为密钥，明文数据每次与密钥数据流顺次对应加密，得到密文数据流。实践中数据通常是一个位（bit）并用异或（xor）操作加密。（本描述来源百度百科：https://baike.baidu.com/item/流加密/15537830）

流加密介绍:

流加密的加密算法核心是按位异或操作，比如字符串”ctf”转换成二进制之后就是011000110111010001100110，使用4位二进制0110作为密钥进行加密。直接将4位的二进制作为一个周期，扩展成01100110011001100110011001100110与原数据二进制等长的二进制串，并和原二进制数据进行按位异或，最终得到的二进制数据00000101000100100000000001101100即为经过流加密后的数据。而如果要解密数据，仅需要再一次将加密后的二进制数据与密钥串进行按位异或，即可得到原数据。

但是由于异或算法的特点，如果多个数据使用同一个密钥串进行加密，攻击者审计都不需要猜测密钥串就能够破解数据。原因如下：

假设A、B两串明文数据，C为加密数据A、B所使用的密钥。加密后的数据A用EA表示（EA = A ⊕ C），加密后的数据B用EB表示（EB = B ⊕ C），符号⊕表示异或操作。

利用相同的值异或结果为0可以得出：

EA ⊕ EB = （A ⊕ C）⊕ （B ⊕ C）= A ⊕ B ⊕ （C ⊕ C）= A ⊕ B

所以等式两边同时异或B即可发现：

EA ⊕ EB ⊕ B = A ⊕ B ⊕ B = A

即：

A = EA ⊕ EB ⊕ B

由上述公式可以推论出，如果多个数据使用同一个密钥串进行加密的情况下，攻击者仅需要再提供一个数据，并且通过相同的方式进行加密，获取对应加密后的数据，即可通过异或关系解密想要破解的数据。故在流加密中，对密钥的安全性要求大，通常的做法是每次发送数据都生成一个随机数列作为密钥流，并且该密钥流不能过短以至于可被暴力破解。在现实通信中，常常使用线性反馈移位寄存器（LFSR）来生成“伪随机”密钥流。

线性反馈移位寄存器（LFSR）的结构如下，由n个D触发器和若干个异或门组成：

其中，gn为反馈系数，取值只能为0或1，取为0时表明不存在该反馈之路，取为1时表明存在该反馈之路；n个D触发器最多可以提供2^n-1个状态(不包括全0的状态)，为了保证这些状态没有重复，gn的选择必须满足一定的条件。

下面以n=3（3位LFSR），g0=1，g1=1,g2=0,g3=1为例，说明LFSR的特性，具有该参数的LFSR结构如下图：

假设在开始时，我们定义SEED：D2D1D0=111，那么，当时钟到来时，有：

D2=D1=1，D1=D0 ⊕ D2=0，D0=D2=1，即D2D1D0=101；

同理，又一个时钟到来时，可得

D2=D1=0，D1=D0 ⊕ D2=0，D0=D2=1，即D2D1D0=001

……

故可以将状态图画出来，如下：

从图可以看出，正好有2^3-1=7个状态，不包括全0，当D触发器的个数越多，产生的状态就越多，也就越“随机”。如果将所有的状态的D2位取出，组合成一个序列1100101，以序列为一个周期组成的二进制数据就是LFSR产生的“随机数”，可被用作流加密的密钥流使用。

LFSR常常被通讯设备用作流加密的密钥流生成器。

常见的流加密算法:

在密码学中，RC4（来自Rivest Cipher 4的缩写）是一种流加密算法，密钥长度可变。它加解密使用相同的密钥，因此也属于对称加密算法。RC4是有线等效加密（WEP）中采用的加密算法，也曾经是TLS可采用的算法之一。

RC4算法的核心也是密钥流的生成。与LFSR不同的是，RC4采用一个256字节的状态向量S，256字节的暂时向量T，和用户自定义的密钥输入构成。通过自定义的密钥生成暂时向量之后，状态向量S与暂时向量T通过一系列的置换算法产生可用于加密的“随机”密钥流，参与加密。

在本篇文章中,不对RC4进行仔细讲解,如果需要的同学自行研究。

总结:

本期文章就到这里, 欢迎大家补充。

参考链接:

《百度百科》：

https://baike.baidu.com/item/数据加密技术/4804539

https://baike.baidu.com/item/流加密/15537830

《Verilog之LFSR伪随机数》：https://blog.csdn.net/hengzo/article/details/49689725

来源：freebuf.com 2019-06-04 14:56:06 by: 漏斗社区