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Padding Oracle Attack

原理阐述

Padding

在密码学中，由于底层加密算法往往是针对固定长度的块来设计的（例如 AES 的 CBC 模式的块大小为 16），所以在对可变长度的明文进行加密时，一般需要额外增加 padding 字段来满足块对齐以便进行加密。

Padding 方法可能有多种，为简单起见，这里只讨论常用的 PKCS7Padding 方法。在 PKCS7Padding 方法中，padding 字段填充的每个字节的值都是相同的，其值均为需要填充的字节个数，例如：如果块大小是 16， 那么明文 "aaaa" 的 padding 就是 [12]*12。如果明文长度刚好是块大小的整数倍，则需要额外加上一个块的 padding，即 [16]*16 。

PKCS7Padding 的 Python 实现代码如下：

def pkcs7padding(plaintext):
    bs = 16
    padding_len = bs - len(plaintext) % bs
    return plaintext + padding_len * chr(padding_len)

Padding Oracle

指被攻击对象暴露的一个接口，该接口可以通过任意形式提供，例如可能是命令行，可能是API，也可能是 REST 接口等等。形式不重要，重要的是内容，该接口可以输入密文，返回该段密文解密后的 Padding 是否正确。如果解密相关的应用开发者不小心，很有可能会暴露出该类接口（例如在提供 web 服务时，后端解密代码未对 Padding 异常情况进行捕捉，导致 HTTP 500 错误）。

Padding Oracle Attack 就是利用 Padding Oracle 来进行攻击的，简单来说，攻击者首先需要窃取一段密文，其次要有一个 Padding Oracle 可供利用，然后攻击者便可通过不断篡改密文并发送到 Padding Oracle 进行验证的方式，来对这段密文进行破解。

XOR（异或）

在解释下一个概念之前，先让我们稍微复习下 XOR（异或）操作。下面是 XOR 的一些基本公式：

  A ⊕ A = 0
  A ⊕ 0 = A
  A ⊕ B = B ⊕ A
  (A ⊕ B) ⊕ C = A ⊕ (B ⊕ C)
  ∴ A ⊕ B ⊕ B = A ⊕ (B ⊕ B) = A ⊕ 0 = A

Cipher-Block Chaining (CBC)

本文将阐述针对 AES CBC 模式的 Padding Oracle Attack，因此，有必要先解释下 CBC 模式的工作过程。

顾名思义，CBC 是针对块的加密，而且块与块之间是存在链式关系的（这种链式关系你很快就会理解了）。

加密过程

在 CBC 中，有一个名叫 "block cipher"的东西，这个 "block cipher" 接受『块』作为输入，密文作为输出。本文不涉及 "block cipher" 的具体工作原理，我们可以把 "block cipher" 当作黑盒子来处理。

在 CBC 加密过程中，每个 "plaintext block" 在送入 "block cipher" 前，都需要先和它前面的 "ciphertext block" (即前面相邻的已加密的密文块) 进行 XOR 操作，XOR 的结果再送入 "block cipher"进行加密处理。这意味着每个加密出来的密文块都依赖于前面的明文加密后的结果，因此改变每一个明文字符都会对后面的加密结果产生巨大影响。这是一种被推荐的、比较安全的加密模式。

CBC

(from Wikipedia )

解密过程

类似的，在解密过程中，有一个 "block cipher decryption"，这个东东接受『密文块』作为输入，但输出不是明文，是一个中间结果。结合上面加密的过程，我们不难理解，这个中间结果就是明文在和 previous cipher block 异或之后的结果。拿到这个中间结果后，跟进前面异或公式的最后一条可知，只需将该中间结果和 previous cipher block 再做一次异或，即可得到最初的明文块。至此，该 block 解密结束。如果是第一个 cipher block，则将中间结果和 IV 进行一次异或即可得到明文块。

CBC

(图片来自 Rob Heaton's blog )

当然，如果是最后一个 block，还需要根据 PKCS7Padding 的规则将尾部 Padding 剔除，剔除 Padding 的 Python 实现代码如下：

def pkcs7unpadding(plaintext):
    padding_len = ord(plaintext[-1])
    # check if the padding_len is valid
    # ...
    return plaintext[:-padding_len]

攻击过程

有了上述这些概念，攻击过程就比较好理解了。

攻击者就是通过计算上面提到的『中间结果』来达到解密目的的。怎么计算『中间结果』呢？答案是试！利用 Padding Oracle 来试。

首先，明确几个概念：

  • 我们窃取了一段密文
  • 我们是一块一块来破解的（因为 CBC 是一块一块加密的）
  • 我们有一个 Padding Oracle

为了描述方便起见，这里定义几个缩写（可结合下面的图片来理解）：

  • C1: 待破解密文块相邻的前面的密文块
  • C2: 待破解密文块
  • I2: 待破解密文块经过 "block cipher decryption" 解密出来的中间结果，可与 C1 异或后得到明文块
  • P2: 待破解密文块解密后的明文块

因此我们有如下公式：

P2 = C1 ^ I2

C1 是已知的，因此我们的工作就是算出 I2 。

破解最后一个字节

首先，我们从破解最后一个 block 的最后一个字节开始。

根据前面的定义，C2 是密文的最后一个 block，C1 是密文的倒数第二个 block 。看下破解过程：

cbcfake

(图片来自 Rob Heaton's blog )

  1. 先把 C1 替换成 [0]*16 （即16个0），把新的 C1 叫做 C1'
  2. 把 C1' + C2 传入 Padding Oracle，成功则跳到第 4 步，否则继续
  3. C1'[15] 自增（上限是 255），并重复第 2 步
  4. 由于 C1' + C2 通过了 Padding 检查，可以确定 P2'[15] 一定是 1~16 中的一个值，这里我们先假定是1（可通过继续修改 C1' 来进一步确定 P2'[15] 的值，为了避免引入额外的复杂度，这里先不介绍如何确定 P2'[15] 的值，后面再详细介绍）。假设此时 C1'[15] 自增到了 94，则按照如下公式可计算出 I2[15]
I2     = C1'     ^ P2'
I2[15] = C1'[15] ^ P2'[15]
I2[15] = 94	 ^ 1
       = 95

进一步，因为 C1 是已知的，所以:

P2[15] = C1[15] ^ I2[15]
       = C1[15]	^ 95

至此，P2[15] 已经计算出来了，即最后一个字节已经被破解了！

破解最后一个 block 的剩余字节

为了破解剩余字节，我们先可以把 P2'[15] 定位 2，根据 PKCS7Padding 的定义，如果 padding 是合法的，则 P2'[14] 也一定是 2。我们就根据这个思路来破解倒数第二个字节。

  1. 先把 C1'[0..14] 置 0，C1'[15] 设置成 2 ^ I2[15] （确保 P2'[15] 是 2）
  2. C1' + C2 传入 Padding Oracle，测试成功则跳到第 4 步，否则继续下一步
  3. C1'[14] 自增，重复第 2 步
  4. 根据以下公式计算 I2[15]:
I2     = C1'     ^ P2'
I2[14] = C1'[14] ^ P2'[14]
       = C1'[14] ^ 2

由于 C1 是已知的，所以：

P2[14] = C1[14] ^ I2[14]

至此，P2[14] 计算出来了，即倒数第二个字节被破解了！

重复上述步骤，即可破解最后一个 block 的剩余字节。

重复上面两节的步骤，即可破解所有 block。第一个 block 稍有不同，因为第一个 block 没有对应的 C1，此时， C1 = IV 。

确定最后一个字节的值

我们回过头来看这个问题。

我们来分析一下，如果此时 P2'[15] 是2而不是1，意味着什么呢？根据 PKCS7Padding 的定义，这意味着：

P2'[14] == P2'[15] == 2

注意此时 C1'[14] 的值是 0，我们可以通过修改 C1'[14] 的值（例如修改成1），然后将 C1' + C2 传入 Padding Oracle 进行测试，如果通过则表示 P2'[15] 只可能是1。什么原因呢？因为 C1'[14] 的值被修改后，必然会影响 P2'[14]，而变化后的 P2' 仍能通过测试，说明 Padding 只能是 1，否则 P2'[14] != P2'[15] 是必然通不过测试的。如果修改后没有通过测试呢？此时说明 P2'[14] >= 2，那我们只需要重复以上步骤（把 C1'[14] 重置为0，修改 C1'[13] 的值为1）再做一遍 Padding 测试即可。如此最多测试 15 次，即可确定 P2'[15] 的值。步骤可归纳如下：

  1. i = 14, C1'[i] = 1
  2. PaddingOracle(C1' + C2) 是否成功？成功跳到第 4 步，否则继续
  3. C1'[i] = 0, i -= 1, 如果 i < 0，则跳转第 5 步；否则 C1'[i] = 1，重复第 2 步
  4. 根据 PKCS7Padding 的定义，可确定 P2'[15] 的值为 16 - i - 1，结束
  5. 根据 PKCS7Padding 的定义，可确定 P2'[15] 的值为 16，结束

程序实现

作为练习和测试，这里用 Python 语言实现了一个 Padding Oracle Attack 的 Demo，见 poa_test.py 。

参考

第一篇文章写的比较生动易理解，图文配合的很好（本文图片就是引自这里），缺点是没有提到 P2'[15] 值的确定，甚至直接断定 P2'[15] == 1，不太严谨。经我个人测试是有可能出现其他值的。

第二篇文章写的比较严谨、比较形式化，但也比较枯燥，没那么形象生动。不过这篇文章提到了 P2'[15] 的不确定性，而且简单介绍了解决办法（在Backtracking一节中有简单说明），但未做详细阐述。