搜索

[27843] 2020-12-31_让密钥消失不见——AES密钥白盒及其攻防

文档创建者：s7ckTeam
浏览次数：1
最后更新：2025-01-19
2020-12-31_让密钥消失不见——AES密钥白盒及其攻防 让 密 钥 消 失 不 见 — — A E S 密 钥 白 盒 及 其 攻 防 原 创   徐 志 东   O P P O 安 全 应 急 响 应 中 心   2 0 2 0 - 1 2 - 3 1 本 文 整 理 自 2 0 2 0 年 1 1 月 2 9 日 在 成 都 举 行 的 O P P O 技 术 开 放 日 第 六 期 — — 《 应 用 与 数 据 安 全 防 护 》 活 动 ， 分 享 嘉 宾 为 徐 志 东 。 本 文 主 要 内 容 如 下 ： 密 钥 安 全 需 求 A E S 加 密 算 法 原 理 A E S 密 钥 白 盒 技 术 原 理 A E S 密 钥 白 盒 攻 击 手 段 A E S 密 钥 白 盒 防 护 策 略 总 结 0 1 — 密 钥 安 全 需 求 密 钥 安 全 需 求 随 着 端 到 云 业 务 的 普 及 ， 数 据 的 传 输 和 存 储 变 得 更 为 频 繁 ， 而 数 据 的 安 全 因 此 更 加 重 要 ， 云 安 全 已 经 成 为 数 据 上 云 业 务 中 不 可 或 缺 的 部 分 ， 没 有 安 全 可 言 的 数 据 早 已 成 为 了 恶 意 攻 击 者 的 美 餐 。 为 了 保 护 用 户 和 企 业 的 数 据 安 全 ， 存 储 和 传 输 必 须 进 行 加 密 ， 安 全 的 重 点 从 数 据 本 身 的 安 全 转 为 了 密 钥 的 安 全 。 白 盒 是 保 证 密 钥 安 全 的 一 种 有 效 方 式 ， 可 以 在 不 暴 露 密 钥 的 场 景 下 ， 完 成 数 据 的 加 解 密 ， 就 像 密 钥 消 失 了 一 样 。
无 论 是 个 人 开 发 者 还 是 企 业 ， 对 与 密 钥 安 全 的 需 求 都 是 迫 切 的 ， 下 面 就 业 内 及 公 司 内 的 具 体 需 求 进 行 阐 述 ， 首 先 了 解 一 下 安 全 密 钥 业 务 的 基 本 场 景 。 1 . 1   安 全 密 钥 业 务 场 景 安 全 密 钥 业 务 场 景 在 云 端 还 是 终 端 的 业 务 场 景 中 ， 各 种 数 据 及 通 信 的 安 全 离 不 开 密 钥 的 保 护 ， 同 时 密 钥 的 安 全 也 更 为 重 要 。 其 中 ， 较 为 基 本 的 有 数 据 的 传 输 和 存 储 ， 以 及 基 于 数 据 传 输 和 存 储 衍 生 出 的 其 他 业 务 场 景 ， 主 要 包 括 证 书 的 生 成 与 下 发 、 固 件 的 下 发 和 接 收 、 关 键 密 钥 的 保 护 等 ， 如 下 图 所 示 。 1 . 2   业 内 密 钥 安 全 需 求 业 内 密 钥 安 全 需 求 业 内 对 与 没 要 安 全 的 需 求 主 要 包 含 四 个 方 面 ， 分 别 是 核 心 技 术 防 护 、 终 端 数 据 安 全 、 密 钥 安 全 、 数 据 传 输 安 全 。 1 . 2 . 1   核 心 技 术 防 护 核 心 技 术 防 护 • 固 件 离 线 保 护 — — 固 件 中 包 含 了 核 心 技 术 和 业 务 逻 辑 ， 需 要 重 点 保 护 ； • 核 心 算 法 保 护 — — 对 于 核 心 算 法 库 或 者 核 心 算 法 资 源 表 等 关 键 信 息 进 行 重 点 保 护 。 1 . 2 . 2   终 端 数 据 安 全 终 端 数 据 安 全 • 文 件 加 密 — — 以 文 件 形 式 或 者 数 据 形 式 对 目 标 进 行 保 护 ； • 字 符 串 加 密 — — 对 字 符 串 类 型 数 据 进 行 保 护 ， 避 免 恶 意 攻 击 者 通 过 字 符 串 轻 易 分 析 出 业 务 逻 辑 ； • 鉴 权 证 书 加 密 — — 对 用 于 身 份 验 证 和 通 信 鉴 权 的 证 书 进 行 加 密 保 护 。 1 . 2 . 3   密 钥 安 全 密 钥 安 全 • 密 钥 加 密 保 护 — — 避 免 密 钥 硬 编 码 ， 对 密 钥 进 行 最 基 本 的 安 全 保 护 ； • 密 钥 白 盒 化 保 护 — — 将 密 钥 进 行 白 盒 化 处 理 ， 融 入 到 整 个 加 密 过 程 中 ， 使 密 钥 无 法 还 原 ， 保 障 密 钥 安 全 。 1 . 2 . 4   数 据 传 输 安 全 数 据 传 输 安 全 • 通 信 数 据 加 密 — — 对 需 要 上 传 或 者 下 发 的 数 据 进 行 保 护 ， 避 免 攻 击 者 抓 包 恶 意 分 析 ； • 通 信 证 书 安 全 — — 对 通 信 过 程 中 使 用 或 者 传 输 的 证 书 进 行 保 护 ， 保 证 通 信 安 全 。 由 此 可 见 ， 密 钥 安 全 已 经 是 云 服 务 以 及 日 常 开 发 中 不 可 或 缺 的 一 部 分 。 在 密 钥 安 全 防 护 极 为 有 效 的 白 盒 产 品 中 ， A E S 白 盒 尤 为 典 型 。 本 文 就
A E S 白 盒 进 行 技 术 上 的 讲 解 ， 首 先 需 要 了 解 A E S 加 密 的 算 法 原 理 。 0 2 — A E S 加 密 算 法 原 理 加 密 算 法 原 理 2 . 1   A E S 简 介 简 介 高 级 加 密 标 准 ( A E S ， A d v a n c e d   E n c r y p t i o n   S t a n d a r d ) 是 较 为 常 见 的 对 称 加 密 算 法 ， 加 密 和 解 密 用 相 同 的 密 钥 ， 加 密 流 程 如 下 图 所 示 ： 下 面 简 单 介 绍 下 各 个 部 分 的 作 用 与 意 义 ： • 明 文 P 没 有 经 过 加 密 的 数 据 。 • 密 钥 K 用 来 加 密 明 文 的 密 码 ， 在 对 称 加 密 算 法 中 ， 加 密 与 解 密 的 密 钥 是 相 同 的 。 • A E S 设 A E S 加 密 函 数 为 E ， 则   C   =   E ( K ,   P ) , 其 中 P 为 明 文 ， K 为 密 钥 ， C 为 密 文 。 也 就 是 说 ， 把 明 文 P 和 密 钥 K 作 为 加 密 函 数 的 参 数 输 入 ， 则 加 密 函 数 E 会 输 出 密 文 C 。 • 密 文 C 明 文 P 经 加 密 函 数 处 理 后 得 到 的 数 据 为 密 文 C 。 2 . 2   A E S 的 基 本 结 构 的 基 本 结 构 A E S 为 分 组 密 码 ， 每 组 长 度 相 等 ， 每 次 加 密 一 组 数 据 ， 直 到 加 密 完 整 个 明 文 。 在 A E S 标 准 规 范 中 ， 分 组 长 度 只 能 是 1 2 8 位 ， 也 就 是 说 ， 每 个 分 组 为 1 6 个 字 节 （ 每 个 字 节 8 位 ） 。 密 钥 的 长 度 可 以 使 用 1 2 8 位 、 1 9 2 位 或 2 5 6 位 甚 至 更 多 ， 密 钥 的 长 度 不 同 ， 加 密 轮 数 也 不 同 ， 如 下 表 所 示 ：
以 下 以 A E S - 1 2 8 为 例 进 行 阐 述 ， A E S 的 加 密 公 式 为 C   =   E ( K , P ) ， 在 加 密 函 数 E 中 ， 会 执 行 一 个 轮 函 数 ， 并 且 执 行 1 0 次 这 个 轮 函 数 ， 这 个 轮 函 数 的 前 9 次 执 行 的 操 作 是 完 全 一 样 的 ， 只 有 第 1 0 次 略 有 不 同 ， 即 每 个 明 文 分 组 会 进 行 1 0 轮 加 密 。 A E S 的 处 理 单 位 是 字 节 ， 1 2 8 位 的 输 入 明 文 分 组 P 和 输 入 密 钥 K 都 被 分 成 1 6 个 字 节 ， 分 别 记 为 P   =   P 0   P 1   …   P 1 5   和   K   =   K 0   K 1   …   K 1 5 。 明 文 分 组 用 字 节 为 单 位 的 正 方 形 矩 阵 描 述 ， 称 为 状 态 矩 阵 。 在 算 法 的 每 一 轮 中 ， 状 态 矩 阵 的 内 容 不 断 发 生 变 化 ， 最 后 的 结 果 作 为 密 文 输 出 。 该 矩 阵 中 字 节 的 排 列 顺 序 为 从 上 到 下 、 从 左 至 右 依 次 排 列 ， 如 下 图 所 示 ：
同 样 ， 1 2 8 位 密 钥 也 是 用 字 节 为 单 位 的 矩 阵 表 示 ， 矩 阵 的 每 一 列 被 称 为 1 个 3 2 位 比 特 字 。 通 过 密 钥 编 排 函 数 该 密 钥 矩 阵 被 扩 展 成 一 个 4 4 个 字 组 成 的 序 列 W [ 0 ] , W [ 1 ] ,   …   , W [ 4 3 ] , 该 序 列 的 前 4 个 元 素 W [ 0 ] , W [ 1 ] , W [ 2 ] , W [ 3 ] 是 原 始 密 钥 ， 用 于 加 密 运 算 中 的 初 始 轮 密 钥 加 （ 下 面 介 绍 ） ; 后 面 4 0 个 字 分 为 1 0 组 ， 每 组 4 个 字 （ 1 2 8 比 特 ） 分 别 用 于 1 0 轮 加 密 运 算 中 的 轮 密 钥 加 ， 如 下 图 所 示 ： 上 图 中 ， W [ 0 ]   =   K 0   K 1   K 2   K 3   。 A E S 的 整 体 结 构 如 下 图 所 示 ， 其 中 的 W [ 0 , 3 ] 是 指 W [ 0 ] 、 W [ 1 ] 、 W [ 2 ] 和 W [ 3 ] 串 联 组 成 的 1 2 8 位 密 钥 。 加 密 的 第 1 轮 到 第 9 轮 的 轮 函 数 一 样 ， 包 括 4 个 操 作 ： 字 节 代 换 、 行 位 移 、 列 混 合 和 轮 密 钥 加 。 最 后 一 轮 迭 代 不 执 行 列 混 合 。 另 外 ， 在 第 一 轮 迭 代 之 前 ， 先 将 明 文 和 原 始 密 钥 进 行 一 次 异 或 加 密 操 作 。
下 面 分 别 介 绍 A E S 中 一 轮 的 操 作 阶 段 ， 这 些 操 作 阶 段 使 输 入 位 得 到 充 分 的 混 淆 。 2 . 2 . 1 、 字 节 代 换 、 字 节 代 换 A E S 的 字 节 代 换 其 实 就 是 一 个 简 单 的 查 表 操 作 。 A E S 定 义 了 一 个 S 盒 和 一 个 逆 S 盒 。 A E S 的 S 盒 如 下 表 所 示 ：
状 态 矩 阵 中 的 元 素 按 照 下 面 的 方 式 映 射 为 一 个 新 的 字 节 ： 把 该 字 节 的 高 4 位 作 为 行 值 ， 低 4 位 作 为 列 值 ， 取 出 S 盒 或 者 逆 S 盒 中 对 应 的 行 的 元 素
作 为 输 出 。 例 如 ， 加 密 时 ， 输 出 的 字 节 S 1 为 0 x 1 2 , 则 查 S 盒 的 第 0 x 0 1 行 和 0 x 0 2 列 ， 得 到 值 0 x c 9 , 然 后 替 换 S 1 原 有 的 0 x 1 2 为 0 x c 9 。 状 态 矩 阵 经 字 节 代 换 后 的 图 如 下 ： 2 . 2 . 2 、 行 移 位 、 行 移 位 行 移 位 是 一 个 简 单 的 左 循 环 移 位 操 作 。 当 密 钥 长 度 为 1 2 8 比 特 时 ， 状 态 矩 阵 的 第 0 行 左 移 0 字 节 ， 第 1 行 左 移 1 字 节 ， 第 2 行 左 移 2 字 节 ， 第 3 行 左 移 3 字 节 ， 如 下 图 所 示 ： 2 . 2 . 3 、 列 混 淆 、 列 混 淆 列 混 淆 变 换 是 通 过 矩 阵 相 乘 来 实 现 的 ， 经 行 移 位 后 的 状 态 矩 阵 与 固 定 的 矩 阵 相 乘 ， 得 到 混 淆 后 的 状 态 矩 阵 ， 如 下 图 的 公 式 所 示 ： 状 态 矩 阵 中 的 第 j 列 ( 0   ≤ j ≤ 3 ) 的 列 混 淆 可 以 表 示 为 下 图 所 示 ：
其 中 ， 矩 阵 元 素 的 乘 法 和 加 法 都 是 定 义 在 基 于 G F ( 2 ^ 8 ) 上 的 二 元 运 算 , 并 不 是 通 常 意 义 上 的 乘 法 和 加 法 。 对 于 一 个 8 位 的 二 进 制 数 来 说 ， 使 用 域 上 的 乘 法 乘 以 ( 0 0 0 0 0 0 1 0 ) 等 价 于 左 移 1 位 ( 低 位 补 0 ) 后 ， 再 根 据 情 况 同 ( 0 0 0 1 1 0 1 1 ) 进 行 异 或 运 算 ， 设 S 1   =   ( a 7   a 6   a 5   a 4   a 3   a 2   a 1   a 0 ) ， 则 0 x 0 2   * S 1 如 下 图 所 示 ： 也 就 是 说 ， 如 果 a 7 为 1 ， 则 进 行 异 或 运 算 ， 否 则 不 进 行 。 类 似 地 ， 乘 以 ( 0 0 0 0 0 1 0 0 ) 可 以 拆 分 成 两 次 乘 以 ( 0 0 0 0 0 0 1 0 ) 的 运 算 ： 乘 以 ( 0 0 0 0   0 0 1 1 ) 可 以 拆 分 成 先 分 别 乘 以 ( 0 0 0 0   0 0 0 1 ) 和 ( 0 0 0 0   0 0 1 0 ) ， 再 将 两 个 乘 积 异 或 ： 因 此 ， 我 们 只 需 要 实 现 乘 以 2 的 函 数 ， 其 他 数 值 的 乘 法 都 可 以 通 过 组 合 来 实 现 。 下 面 举 个 具 体 的 例 子 , 输 入 的 状 态 矩 阵 如 下 ： 下 面 ， 进 行 列 混 合 运 算 ： 以 第 一 列 的 运 算 为 例 ：
列 混 合 后 生 成 的 新 状 态 矩 阵 如 下 ： 2 . 2 . 4 、 轮 密 钥 加 、 轮 密 钥 加 轮 密 钥 加 是 将 1 2 8 位 轮 密 钥 K i 同 状 态 矩 阵 中 的 数 据 进 行 逐 位 异 或 操 作 ， 如 下 图 所 示 。 其 中 ， 密 钥 K i 中 每 个 字 W [ 4 i ] , W [ 4 i + 1 ] , W [ 4 i + 2 ] , W [ 4 i + 3 ] 为 3 2 位 比 特 字 ， 包 含 4 个 字 节 ， 他 们 的 生 成 算 法 下 面 在 下 面 介 绍 。 轮 密 钥 加 过 程 可 以 看 成 是 字 逐 位 异 或 的 结 果 ， 也 可 以 看 成 字 节 级 别 或 者 位 级 别 的 操 作 。 也 就 是 说 ， 可 以 看 成 S 0   S 1   S 2   S 3   组 成 的 3 2 位 字 与 W [ 4 i ] 的 异 或 运 算 。 轮 密 钥 加 的 逆 运 算 同 正 向 的 轮 密 钥 加 运 算 完 全 一 致 。   2 . 2 . 5 、 密 钥 扩 展 、 密 钥 扩 展 A E S 首 先 将 初 始 密 钥 输 入 到 一 个 4 x 4 的 状 态 矩 阵 中 ， 如 下 图 所 示 。
回复

举报

高级模式
B Color Image Link Quote Code Smilies
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

使用Markdown编辑器编辑 使用富文本编辑器编辑

Archiver| 手机版| 小黑屋|
Powered by Discuz! X3.4 Copyright © 2001-2020, Tencent Cloud. 商业源码建议获取授权，如侵犯您的权益，请联系客服处理